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超寬帶軌道角動量全息

2020-03-02

近日,上海理工大學光電學院人工智能納米光子學研究中心顧敏院士領導的研究團隊,首次將軌道角動量(OAM)維度用作全息過程的信息載體,提出了超寬帶軌道角動量全息理論。實驗中實現了高階軌道角動量的操控,由此大大提升了信息光學領域的安全性能。OAM全息編碼技術可以增強光學衍射神經網絡的信息處理能力,為下一代高容量人工智能光學芯片的到來提供理論支撐。

伴隨著信息社會的飛速發展,信息光學已成為現代光學的重要分支,為了滿足人們對光學設備的信息容量需求,光的偏振、波長等物理屬性通常被用作信息載體進行編碼、傳輸和解碼。光的多維度特性也是其相較電而言作為信息載體的重大優勢。作為一種具有無窮正交特性的物理維度,OAM已經在光通信領域展示出對于提升帶寬的重要價值。

然而,在應用更為廣泛的全息領域,OAM的高維特性始終無法發揮作用。這是因為兩個原因:第一,OAM光束的螺旋波面會被傳統全息圖破壞。第二,經典布拉格衍射公式無法體現出針對再現光OAM維度的選擇性。因此,OAM始終無法成為全息過程的信息載體,更無法用作提升帶寬。

本研究創造性地將布拉格衍射定律延伸到了傅立葉空間。如圖一所示,在傅立葉空間中,具有不同螺旋階數的OAM光束表現出不同的空間頻率分布,螺旋階數越大則空間頻率越大。顧敏團隊利用這一特性,根據入射OAM光束的空間頻率分布設計出相應的采樣陣列,對數字圖像進行重新編碼,由此計算出能夠保存螺旋相位的全息圖。為了實現全息圖的OAM選擇性,研究者在全息圖中疊加螺旋相位分布,根據軌道角動量守恒定律,只有當再現光擁有對應的反向螺旋相位時才能復原出像素為擁有高斯頻率分布的圖像。


圖一 OAM全息理論。(a)OAM空間頻率分析及采樣點陣設計方法;(b)采樣間距與OAM階數的關系;(c)(d)OAM-保存全息圖的設計及表征;(e)(f)具有OAM選擇性全息圖的設計及表征。

研究者進一步用實驗演示了基于軌道角動量全息理論的高安全性能光學加密過程。首先利用-50至50階的螺旋相位對10張圖片進行編碼復用,設計OAM復用全息圖扮演10比特OAM加密文。用戶獲得的不同OAM密鑰后,通過全息顯示的方式解密出相應的信息。由于OAM物理維度不存在理論極限,超寬帶OAM全息技術可以讓信息加密領域的安全性能得到前所未有的提升。


圖二 OAM全息在全息加密中的應用。(a)10張圖片的OAM編碼;(b)(c)10比特OAM密文及實驗表征;(d)全息加密、解密流程圖。

相關研究成果以“Orbital angular momentum holography for high-security encryption”為題發表在Nature Photonics [14, 102-108 (2020)]上。論文在線發表后,國內超過50家媒體給予報道,其中包括光明日報,科技日報,人民網,上海科技報,新民晚報等。

論文通訊作者為上海理工大學人工智能納米光子學實驗室顧敏院士。上海理工大學光電學院特聘研究員方心遠博士、德國Ludwig-Maximilians-University洪堡研究員任浩然博士為本工作的并列第一作者。論文第一單位為上海理工大學,合作單位包括墨爾本皇家理工大學和南京大學。

論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41566-019-0560-x



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