相位涡旋光束是一种携带有轨道角动量（OAM）的新型结构光束，在超大容量光通信、新体制激光雷达、激光加工、高密度光存储、高分辨率成像、量子技术等领域有着广泛的应用前景，吸引了国内外学者的广泛关注。特别是在超大容量光通信领域，由于相位涡旋光束携带的OAM具有无穷个本征值，且不同的OAM模式相互正交，使得其不仅可作为信号载波以模式复用的方式来拓展信道容量，还可用于超高维数字信号编码，通过提升光子效率的方式间接拓展信道容量。实现复杂涡旋光场的按需调控是实现上述应用的必要条件之一，然而当前复杂涡旋光场调控方面仍存在许多尚未解决的科学问题及技术瓶颈，例如，多模复用高维OAM调控较为困难，光束OAM谱的测量的泛化能力较弱，OAM模式分布切换响应时间长等，阻碍了涡旋光束的实际工程化应用。

针对上述问题，英国威廉希尔公司高春清、付时尧团队在国防基础科研计划、国家自然科学基金重点项目等的资助下，开展了复杂涡旋光场调控及应用的关键技术瓶颈攻坚，取得了一系列重要成果，相关工作发表于PhotoniX（SCI一区，IF：19.818）、Advanced Photonics Nexus（CLP与SPIE合办新刊物）、Photonics Research （SCI一区，IF：7.254）、Optics Express、Optics Letters等，获20余项授权发明专利，并在多个系统中得到工程化应用。主要研究进展包括：

1、高维OAM光梳的生成技术

OAM光梳是一种在“l域”中由等模式间距的一系列分离OAM模式构成的复杂光场结构，其为超高光子效率信息编码的载体，同时也是高密度全息加密技术的“钥匙”。先前研究已经证明，采用纯相位调制方法不可能将基模高斯光束转化为OAM光梳，若要获得OAM光梳，则必须采用迭代等方法无限逼近，而迭代过程是费时的，将高维信号编码的优势抵消殆尽。针对这一问题，该团队从达曼光栅技术获得灵感，构建了x坐标与φ坐标的映射关系，研制了角向二值化相位结构衍射光学器件，最终实验获得了127维OAM光梳，模式均匀性达92.04%，如图1所示。由于不同的OAM光束对应固定的角向二值化相位的相位跃变点坐标，使得可根据数值解而无需任何迭代运算即可生成任意OAM光梳，有效的解决了现有技术生成高维OAM光束响应时间长的问题。该团队公开了不同OAM光梳下角向二值化相位的相位跃变点坐标数值解，可供本领域科研及技术人员直接调用。该工作为高维涡旋光场调控提供了全新思路，发表于CLP与SPIE新办刊物Advanced Photonics Nexus，并被选为AP Nexus创刊首期封面，如图2所示。付时尧副研究员是该文的第一作者及通讯作者，高春清教授为该文的共同通讯作者。

图1 实验获得的127维OAM光梳

图2  Advanced Photonics Nexus创刊首期封面

2、光束OAM谱的通用测量技术

光束所携带的不同OAM成分的强度比重构成了光束的OAM谱，OAM谱是描述光束OAM分布特性的重要指标。由于不同OAM分布的涡旋光束在同一应用场景下会展现完全不同的性能，因此光束的OAM谱的准确测量是其应用的重要基础。然而，当前有报道的光束OAM谱的测量技术通常只针对具有圆对称性的横向光场分布的光束，对于任意光场分布的光束泛化能力不够。针对这一问题，该团队从光束OAM谱的定义出发，提出了光束OAM谱的通用测量技术，可适用于任意复杂光场分布光束的OAM谱测量。在测量过程中，只需引入以参考光束与待测光束同轴干涉，通过测量干涉场及带相移的干涉场分布即可获得待测光束的OAM谱。该工作为OAM光通信系统接收端的准确译码等一系列应用场景提供了全新解决方案，发表于SCI一区刊物PhotoniX。付时尧副研究员是该文的第一作者，高春清教授为该文的通讯作者。

图3 光束OAM谱的通用测量技术

此外，该团队还提出了涡旋光场多自由度协同调控技术（Opt. Express ,29,10811(2021), Optica Image of the Week）、超高维激光阵列光源技术（Opt. Lett. 45, 6330(2020)）、深度学习辅助光束OAM谱测量技术（Opt. Lett.47, 1419(2022)）等，并进一步演示了高维多态光子OAM键控通信（Opt. Express, 27, 33111(2019)）、光子OAM编码组网（Opt. Lett.44, 4753(2019), Optica Editor’s pick）等新型涡旋光束通信技术。

文章链接：

https://doi.org/10.1117/1.APN.1.1.016003

https://doi.org/10.1186/s43074-020-00019-5

https://doi.org/10.1364/OE.422301

https://doi.org/10.1364/OL.412411

https://doi.org/10.1364/OL.443726

https://doi.org/10.1364/OE.27.033111

https://doi.org/10.1364/OL.44.004753

主要作者简介

付时尧：

北京理工大学副研究员、博士生导师，主要研究方向为激光光场多维度协同调控技术及应用。于2019年入选人力资源和社会保障部博士后创新人才支持计划，主持国防基础科研计划、国家自然科学基金等科研项目9项，部分科研成果已经工程化应用。在PhotoniX、Photonics Research、Advanced Photonics Nexus、Optics Letters、Optics Express、Applied Physics Letters、New Journal of Physics等知名期刊上发表SCI收录论文40余篇；多次受邀在国内外顶级学术会议上作邀请报告；获18项授权发明专利；出版专著《涡旋光束》，并入选国家“十三五”重点出版规划，获2018年国家科技学术著作出版基金资助。获得的省部级以上荣誉包括：中国光学学会王大珩光学奖、中国电子学会优秀博士学位论文、工业和信息化部工信创新特等奖、第九批首都市民学习之星等。相关科研成果多次被人民网、中国青年报等主流媒体报道。现为中国光学学会高级会员、中国激光与光电子行业协会激光应用分会青年委员、中国光学工程学会会刊《红外与激光工程》青年编委、教育部全国研究生教育评估监测专家库专家、北京光学学会委员、美国光学学会（Optica）会员及审稿专家， SCI期刊《Frontiers in Physics》客座编辑，此外还担任《Nature Communications》、《Light: Science & Applications》、《ACS Photonics》等多个学术期刊审稿人。

高春清：

北京理工大学教授、博士生导师，光学工程学科责任教授。长期从事激光与光电子技术领域的研究，在单频激光、光场调控、激光雷达等方面开展了创新性的研究工作，近年来主持国家自然科学基金重大科研仪器项目、国家自然科学基金重点项目、科技部重点研发计划课题、国防重点预研项目等科研项目20余项，在单频稳频激光器件与技术、人眼安全激光器件与技术、涡旋光束和矢量光束的产生及应用、远程相干激光测风雷达等方面成绩突出，研究成果已在多个单位获得应用。曾入选教育部新世纪优秀人才，获中国电子学会优秀博士论文指导教师奖和优秀硕士论文指导教师奖。发表学术论文260余篇，其中SCI检索百余篇，SCI他引1500余次，出版著作3部，获得发明专利授权30项，获得部级科技奖二、三等奖各1项。多次受邀担任国际国内光电子领域学术会议中的专题主席。担任中国电子学会光电子与量子电子学分会副主任委员，中国光学学会光电专委会常委、激光专委会委员，中国仪器仪表学会光机电技术与系统集成分会常务理事，是固体激光技术国防科技重点实验室、光子测控技术教育部重点实验室等的学术委员会委员，担任《光子学报》、《激光与红外》、《红外与激光工程》、《应用光学》等刊物的编委。