[論文レビュー] Single-shot measurement of the orbital-angular-momentum spectrum of partially coherent fields

Girish Kulkarni, Robert W. Boyd+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2016

Orbital Angular Momentum in Optics被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、部分的コherentlyな光場の全軌道角運動量（OAM）スペクトルを、場のいかなる部分も捨てることなく測定する1ショット干渉計的手法を提案する。干渉縞の方位角方向強度分布にOAMスペクトル情報をエンコードすることで、1回の取得（ノイズがある状況では2回）で完全なスペクトル復元が可能である。この手法により、パラメトリックダウンコンversionから得られるもつれ光子で、82.1の角度的シュミット数を測定した。

ABSTRACT

The existing methods for measuring the orbital-angular-momentum (OAM) spectrum suffer from issues such as poor efficiency, strict interferometric stability requirements, and too much loss. Furthermore, most techniques inevitably discard part of the field and measure only a post-selected portion of the true spectrum. Here, we propose and demonstrate an interferometric technique for measuring the true OAM spectrum of optical fields in a single-shot manner. Our technique directly encodes the OAM-spectrum information in the azimuthal intensity profile of the output interferogram. In the absence of noise, the spectrum can be fully decoded using a single acquisition of the output interferogram, and, in the presence of noise, acquisition of two suitable interferograms is sufficient for the purpose. As an important application of our technique, we demonstrate measurements of the angular Schmidt spectrum of the entangled photons produced by parametric down-conversion and report a broad spectrum with the angular Schmidt number 82.1.

研究の動機と目的

• 既存のOAMスペクトル測定技術の非効率性と部分的場の測定制限を克服すること。
• OAM測定における干渉計的安定性と高損失の後処理選択の必要性を排除すること。
• 1回の取得で部分的コherentlyな光場の全スペクトルを直接復元可能な手法を実現すること。
• パラメトリックダウンコンversionによって生成されたもつれ光子対の完全な角度的シュミットスペクトルを測定すること。

提案手法

• 入力場のOAMスペクトルを出力干渉縞の方位角方向強度分布にマッピングする干渉計的設定を用いる。
• OAMスペクトルが、干渉縞における強度の角度変動に直接可視化されるようにエンコードされる。
• ノイズのない状況では、1枚の干渉縞の取得で方位角プロファイルの直接復元によりOAMスペクトルの完全再構成が可能である。
• ノイズがある場合には、特定の位相シフトを施した2枚の干渉縞を取得し、それらを組み合わせることで正確なスペクトル再構成が達成される。
• 場の切り捨てを回避し、元の場から得られるすべての情報を保持することで、真のスペクトルの測定が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノイズのない状況で、場の一部を捨てることなく、部分的コherentlyな場の全OAMスペクトルを1ショットで測定可能か？
• RQ2 OAMスペクトル測定における干渉計的安定性要件を低減または排除できるか？
• RQ3 方位角方向強度エンコードを用いて、1枚の干渉縞からOAMスペクトルを完全に再構成可能か？
• RQ4 この手法を用いて、もつれ光子対の実現可能な角度的シュミット数はどの程度か？

主な発見

• 提案手法により、ノイズのない状況では1枚の干渉縞からOAMスペクトルの完全再構成が可能である。
• ノイズがある場合には2枚の干渉縞で十分な正確なスペクトル再構成が可能であり、耐障害性が保証される。
• 場の切り捨てや損失を回避し、真のOAMスペクトルを直接測定可能である。
• この手法は、パラメトリックダウンコンversionから得られるもつれ光子の角度的シュミットスペクトルの測定に成功して応用された。
• 測定された角度的シュミット数は82.1であり、広範かつ高もつれ状態のOAMスペクトルを示している。