[论文解读] Optical spatial mode sorter of azimuthal and radial components

Nicolas K. Fontaine, Roland Ryf+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2018

Orbital Angular Momentum in Optics被引用 1

一句话总结

该论文提出了一种新型光学空间模式分离器，利用现成组件将拉盖尔-高斯光束的方位角和径向模式指数映射到衍射受限的笛卡尔光斑网格上。该设备可原生、可扩展地分离超过210个空间模式，从而实现对光学光束中理论上无限制的空间自由度的实际应用。

ABSTRACT

Splitting a beam into its constituent spectral components using dispersive elements, or polarization components using birefringence, are fundamental and routine operations which allow these properties to be exploited for applications throughout optical physics. However, only limited devices exist for spatially decomposing a beam, meaning this theoretically unbounded degree of freedom can be difficult to exploit in practice. Any beam can be spatially decomposed into the basis of Laguerre-Gaussian modes, which have both an azimuthal and radial component. No device currently exists which can natively sort both components in a manner which scales to large mode counts. We demonstrate a device capable of mapping the azimuthal and radial indices onto a Cartesian grid of diffraction limited spots, for over 210 spatial modes using off-the-shelf optical components.

研究动机与目标

• 为解决目前缺乏能够原生分离光学光束中方位角和径向空间模式分量的设备的问题。
• 通过提供一种可扩展的分离解决方案，实现对光学物理中无限制的空间自由度的实际利用。
• 展示一种利用标准光学组件将拉盖尔-高斯模式指数映射到衍射受限的笛卡尔光斑网格的设备。
• 在无需定制或复杂光学元件的情况下实现高模式数的分离。

提出的方法

• 该设备利用相位和振幅调制的组合，将拉盖尔-高斯模式投影到输出光斑的笛卡尔网格上。
• 它利用现成的光学组件实现空间模式分解，能够分离方位角和径向指数。
• 该系统将径向和方位角模式指数映射到二维输出平面上的正交空间坐标。
• 该设计确保形成衍射受限的光斑，保持模式保真度，从而实现高分辨率的模式分离。
• 该方法具有可扩展性，可在不使用特殊或定制光学元件的情况下实现对超过210个空间模式的分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够通过单一设备以可扩展的方式同时分离拉盖尔-高斯模式的方位角和径向分量？
• RQ2 是否可能仅使用现成光学组件实现衍射受限的空间模式分离？
• RQ3 在保持模式保真度的前提下，可分辨的空间模式数量能够提升到何种程度？
• RQ4 随着径向和方位角模式指数的增加，设备性能如何变化？

主要发现

• 该设备成功地将超过210个空间模式映射到衍射受限的笛卡尔光斑网格上。
• 该分离过程原生支持方位角和径向指数，能够同时分解两种模式分量。
• 该系统仅使用商用光学组件即实现了高保真度的模式分离。
• 该设备在模式数量上表现出可扩展性，克服了现有空间模式分离技术的局限。