[论文解读] Single-shot measurement of the orbital-angular-momentum spectrum of partially coherent fields
本文提出一种单次干涉测量技术，用于在不丢弃光场任何部分的情况下，测量部分相干光场的完整轨道角动量（OAM）谱。通过将OAM谱信息编码在单个干涉图样的方位角强度分布中，该方法仅需一次采集（噪声条件下为两次）即可实现完整谱解码，实验中成功测得参量下转换产生的纠缠光子的角Schmidt数为82.1。
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.
研究动机与目标
- 克服现有OAM谱测量技术效率低下和部分光场测量的局限性。
- 消除OAM测量中对干涉稳定性及高损耗后选择的依赖。
- 实现在单次采集中直接对部分相干光学场进行全谱解码。
- 测量通过参量下转换产生的纠缠光子对的完整角Schmidt谱。
提出的方法
- 该方法采用干涉仪装置，将输入光场的OAM谱映射到输出干涉图样的方位角强度分布上。
- 通过编码使OAM谱的谱成分在干涉图样的强度角向变化中直接可见。
- 在无噪声情况下，单次干涉图样采集即可通过直接解码方位角分布实现OAM谱的完整重构。
- 在存在噪声时，采集两个具有特定相位偏移的干涉图样并进行组合，以实现精确的谱重构。
- 该技术避免了光场截断和信息损失，可直接测量真实谱。
实验结果
研究问题
- RQ1是否可实现单次测量技术，在不丢弃光场任何部分的情况下测量部分相干场的完整OAM谱？
- RQ2如何降低或消除OAM谱测量中对干涉稳定性的要求？
- RQ3是否可仅通过单个干涉图样和方位角强度编码实现OAM谱的完整重构？
- RQ4使用该方法可实现的纠缠光子对的角Schmidt数能达到多高？
主要发现
- 所提方法在无噪声条件下，可从单个干涉图样中实现OAM谱的完整重构。
- 在存在噪声时，仅需两个干涉图样即可实现精确谱重构，确保鲁棒性。
- 该技术避免了光场截断和损耗，可直接测量真实OAM谱。
- 该方法成功应用于测量参量下转换产生的纠缠光子的角Schmidt谱。
- 测得的角Schmidt数为82.1，表明其具有宽广且高度纠缠的OAM谱。
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