北理工團隊在寬譜軌道角動量光梳調(diào)控研究方面取得重要進展
發(fā)布日期：2025-04-17 供稿：光電學(xué)院 攝影：光電學(xué)院
編輯：盛筠 審核：李家方 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)光電學(xué)院付時堯,、高春清團隊提出了一種寬譜軌道角動量光梳智能調(diào)控方法,，實現(xiàn)了軌道角動量態(tài)±75范圍內(nèi)的光場超高維調(diào)控，該研究成果以" Intelligent tailoring of broadband orbital angular momentum comb towards efficient optical convolution" 為題發(fā)表在頂刊Photonics Research（SCI一區(qū),，IF：6.6）,。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索計劃、國家重點研發(fā)計劃等支持,。北京理工大學(xué)是唯一第一及通訊作者單位,，北理工2023級博士研究生周詩韻為第一作者，付時堯教授為通訊作者,。
軌道角動量（Orbital angular momentum, OAM）作為一種激光的新型高維自由度,，在超大容量光通信、新體制激光雷達,、高密度光存儲,、量子信息技術(shù)等尖端領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。一束激光可同時攜帶多個OAM模式,，且不同的OAM模式相互正交,，在“OAM域”中構(gòu)成了梳狀函數(shù)，即OAM光梳,。寬譜OAM光梳是超高光子效率信息編碼的載體,，同時也是高密度全息加密技術(shù)的“鑰匙”。先前研究已經(jīng)證明,，采用純相位調(diào)制方法不可能將基模高斯光束轉(zhuǎn)化為OAM光梳,，若要獲得OAM光梳，則必須采用迭代等方法無限逼近,，而迭代過程是費時的,，將高維信號編碼的優(yōu)勢抵消殆盡。寬譜OAM光梳的高效,、精準(zhǔn)按需調(diào)控仍面臨重大挑戰(zhàn),。
針對這一問題，研究團隊提出了一種基于多尺度融合學(xué)習(xí)的U型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MSUNet）,，用于編碼寬譜OAM光梳調(diào)控相位計算,，實現(xiàn)了寬譜OAM光梳的快速,、精準(zhǔn)按需調(diào)控。如圖1所示,，該智能框架通過多尺度特征提取補償模式強度損失,，極大提高了相位調(diào)制圖樣的生成精度與計算效率。通過引入OAM譜測量模型,，能夠直接分析調(diào)制后的光場精度,，實現(xiàn)有效的損失約束。
實驗結(jié)果驗證了該方法的卓越性能,，其調(diào)制OAM模式范圍可覆蓋-75至+75,，平均均方根誤差（RMSE）低至0.0037，保真度達到85.01%,，計算時間僅約30毫秒,，如圖2所示。
圖1 多尺度融合學(xué)習(xí)的U型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)寬譜OAM光梳智能調(diào)控
圖2 寬譜OAM光梳按需調(diào)控實驗結(jié)果
此外,，研究團隊進一步將定制的寬譜OAM光梳應(yīng)用于光學(xué)卷積計算,，實現(xiàn)了任意離散函數(shù)的矢量卷積運算，如圖3所示,，其實驗驗證RMSE為0.0138,，保真度達82.82%，展現(xiàn)了OAM光梳在高階光學(xué)計算中的潛在能力,。
圖3 寬譜OAM光梳矢量卷積運算
該工作突破了寬譜OAM光梳按需調(diào)控的技術(shù)瓶頸,，提供了一種簡單、高效且高精度的解決方案,，為未來高維OAM光場在光學(xué)計算,、大容量通信、量子信息處理等前沿領(lǐng)域的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ),。
論文鏈接：https://doi.org/10.1364/PRJ.550470
附作者簡介：
第一作者,，周詩韻，北京理工大學(xué)光電學(xué)院2023級博士研究生,，導(dǎo)師為付時堯教授,，主要研究方向為激光光場智能調(diào)控算法。以第一作者在Photon. Res., Opt. Lett.等期刊發(fā)表SCI論文4篇,，申請發(fā)明專利 5項。
通訊作者,，付時堯,，北京理工大學(xué)教授、博導(dǎo),，國家級青年人才,。長期從事激光光場調(diào)控技術(shù)及應(yīng)用研究,，主持國家重點研發(fā)計劃、基金委原創(chuàng)探索計劃等項目十余項,，出版專著2部,，發(fā)表論文60余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利23項,，研究成果已應(yīng)用于多個系統(tǒng),。曾入選博新計劃，獲北京市自然科學(xué)二等獎（序1）,、中國電子學(xué)會優(yōu)秀博士論文獎,、王大珩光學(xué)獎等。現(xiàn)為美國光學(xué)學(xué)會資深會員（Optica Senior Member）,、中國激光雜志社第三屆青年編委員會委員,、《光學(xué)學(xué)報》等期刊青年編委、《紅外與激光工程》青編委會執(zhí)行委員會委員等,。
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