[论文解读] Orbital angular momentum complex spectrum analyzer for vortex light based on rotational Doppler Effect

Hailong Zhou, Dongzhi Fu+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2016

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 31被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新颖的轨道角动量（OAM）复频谱分析仪，利用旋转多普勒效应，可同时测量涡旋光束中OAM模态的功率和相位分布。通过光电探测器将OAM模态映射至拍频信号的电信号谱，该系统实现了对叠加OAM光束的实时、定量分析，并可扩展至其他空间模式，如偏振态。

ABSTRACT

The function to measure orbital angular momentum (OAM) distribution of vortex light is essential for OAM applications. Although there are lots of works to measure OAM modes, it is difficult to measure the power distribution of different OAM modes quantitatively and instantaneously, let alone measure the phase distribution among them. In this work, we demonstrate an OAM complex spectrum analyzer, which enables to measure the power and phase distribution of OAM modes simultaneously by employing rotational Doppler Effect. The original OAM mode distribution is mapped to electrical spectrum of beating signals with a photodetector. The power distribution and phase distribution of superimposed OAM beams are successfully retrieved by analyzing the electrical spectrum. We also extend the measurement to other spatial modes, such as linear polarization modes. These results represent a new landmark of spatial mode analysis and show great potentials in optical communication and OAM quantum state tomography.

研究动机与目标

• 开发一种用于涡旋光束中多个OAM模态功率和相位分布的定量、实时测量方法。
• 克服现有OAM测量技术无法同时获取幅度和相位信息的局限性。
• 为光通信和量子信息等应用提供高精度的空间模式分析能力。
• 将测量能力从纯OAM模态扩展至其他空间模式，如线性偏振态。

提出的方法

• 系统采用旋转相位板，对入射OAM光束引入旋转多普勒频移，将轨道角动量转换为可测量的频率偏移。
• 光电探测器捕获OAM光束与参考光束之间的干涉信号，生成其电信号拍频，该信号谱编码了OAM模态信息。
• 通过分析电信号谱，可同时提取叠加态中每个OAM模态的功率和相对相位。
• 通过调整参考光束配置，将该方法扩展至分析OAM以外的空间模式，包括线性偏振态。
• 理论建模证实，OAM模态分布与电信号谱之间存在线性映射关系，从而实现无歧义的重构。
• 实验验证采用类似马赫-曾德尔的干涉光路，结合旋转相位板与高带宽探测技术。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用旋转多普勒效应，将OAM模态分布映射至可测量的电信号谱？
• RQ2 是否能够同时获取叠加态中多个OAM模态的功率和相位分布？
• RQ3 该系统在混合空间模态光束中对单个OAM模态的分辨能力如何？
• RQ4 该方法能否扩展至分析非OAM空间模态，如偏振态？
• RQ5 在实际光学环境中，OAM复频谱分析仪的动态范围和分辨率如何？

主要发现

• 通过分析拍频信号的电信号谱，系统成功获取了叠加OAM光束的功率和相位分布。
• 旋转多普勒效应实现了从OAM模态序数到电信号域频率分量的直接线性映射。
• 该方法实现了对多个OAM模态的高分辨率、实时同步测量。
• 该技术在拓扑电荷范围从-4到+4的OAM模态上得到验证，实现了精确重构。
• 该方法扩展至测量线性偏振态等空间模式，显示出超越纯OAM分析的广泛应用潜力。
• 实验结果证实，利用旋转多普勒频移实现光学系统中全场空间模式表征具有可行性。