北理工團(tuán)隊(duì)與香港大學(xué)合作提出一種基于達(dá)曼渦旋超表面的光束微分運(yùn)算方法
發(fā)布日期：2022-10-06 供稿：光電學(xué)院 攝影：光電學(xué)院
編輯：盛筠 審核：董立泉 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)王涌天教授團(tuán)隊(duì)的黃玲玲教授等人與香港大學(xué)張霜老師合作，提出了一種基于達(dá)曼渦旋超表面的光束微分運(yùn)算方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)學(xué)函數(shù)微分加減運(yùn)算的全光表達(dá)。該項(xiàng)研究成果發(fā)表在國際著名期刊 Science Advances 上，題目為Basis function approach for diffractive pattern generation with Dammann Vortex Metasurfaces。
光計(jì)算是當(dāng)前科研發(fā)展的熱門話題，不同于電子計(jì)算起源于對(duì)邏輯門的控制，光擁有的多種物理屬性及高速并行運(yùn)算能力。函數(shù)微分和四則運(yùn)算作為數(shù)學(xué)理論的核心基礎(chǔ)，也是提高現(xiàn)代光子計(jì)算能力的重要手段。軌道角動(dòng)量作為光的一種基本物理屬性，具備無限數(shù)目正交通道的特點(diǎn)，因此應(yīng)用軌道角動(dòng)量的復(fù)用/解復(fù)用可以實(shí)現(xiàn)光信息的多路復(fù)載。廣義渦旋光束能夠?qū)⒉煌能壍澜莿?dòng)量與圍繞光學(xué)奇點(diǎn)相位微分的疏密變化構(gòu)建關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)函數(shù)式相位微分與光束輪廓形態(tài)的結(jié)合，從而打破了傳統(tǒng)渦旋光束相位微分為常數(shù)的限制。通常，達(dá)曼渦旋光柵是軌道角動(dòng)量復(fù)用解復(fù)用的基本載體，它能夠在光柵的不同衍射級(jí)次上有序的呈現(xiàn)攜帶不同拓?fù)浜蓴?shù)的渦旋光束，而渦旋光束陣列之間存在典型的與衍射級(jí)次相關(guān)的倍乘與加減運(yùn)算關(guān)系。
為了利用全光手段實(shí)現(xiàn)函數(shù)微分和四則運(yùn)算功能的結(jié)合，黃玲玲教授團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用廣義渦旋光束的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合達(dá)曼渦旋優(yōu)化，通過設(shè)置自定義的相位微分基本函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同衍射級(jí)次的多種微分函數(shù)加減運(yùn)算的直觀光學(xué)展現(xiàn)。以三角函數(shù)為例，類比于傅里葉級(jí)次方法對(duì)任意周期函數(shù)的展開表達(dá)，利用中心基本拓?fù)浜傻南辔晃⒎帧M向與縱向相位微分函數(shù)變化的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了不同衍射級(jí)次上不同函數(shù)特征的分布。并且，根據(jù)廣義渦旋光束相位微分與光束形態(tài)之間的關(guān)聯(lián)，不同衍射級(jí)次上的各異函數(shù)變化呈現(xiàn)為不同的光束輪廓，構(gòu)成了豐富多樣的陣列圖案，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證單次同時(shí)計(jì)算顯示的各異渦旋光束陣列可多達(dá)7×7。相比于傳統(tǒng)光計(jì)算，該方法實(shí)現(xiàn)了函數(shù)微分加減運(yùn)算的直觀圖像化表達(dá)，并且這種新型的函數(shù)式微分加減計(jì)算功能突破了傳統(tǒng)光學(xué)計(jì)算圍繞特定三角函數(shù)數(shù)值進(jìn)行分析的局限。此外，針對(duì)單個(gè)光束的閉合圓周覆蓋連續(xù)自變量范圍以及多個(gè)光束之間的微分加減運(yùn)算關(guān)聯(lián)都使得光計(jì)算擁有更強(qiáng)的靈活性和功能性。
這種新提出的光束微分運(yùn)算方法，實(shí)現(xiàn)了高速大容量并列計(jì)算和直觀化顯示，利用光束形態(tài)如廣義渦旋光、結(jié)構(gòu)光、空間模式作為數(shù)學(xué)運(yùn)算的展示，打破了傳統(tǒng)光計(jì)算圖形顯示的困難，更進(jìn)一步豐富了光計(jì)算的形式與功能。并且這種光學(xué)微分運(yùn)算超表面支持復(fù)雜形式光束輸入運(yùn)算，因此對(duì)于軌道角動(dòng)量信息傳輸與存儲(chǔ)加密都能夠引入更豐富的自由度該方法能夠?yàn)樘剿鳒u旋信息加密、光學(xué)操縱和光通信、量子糾纏等各種應(yīng)用打開新的大門。
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abp8073
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