来源：中国激光
近日，上海理工大学光电学院人工智能纳米光子学研究中心顾敏院士领导的研究团队，首次将轨道角动量（OAM）维度用作全息过程的信息载体，提出了超宽带轨道角动量全息理论。实验中实现了高阶轨道角动量的操控，由此大大提升了信息光学领域的安全性能。OAM全息编码技术可以增强光学衍射神经网络的信息处理能力，为下一代高容量人工智能光学芯片的到来提供理论支撑。“2020中国光学十大进展”候选推荐
伴随着信息社会的飞速发展，信息光学已成为现代光学的重要分支，为了满足人们对光学设备的信息容量需求，光的偏振、波长等物理属性通常被用作信息载体进行编码、传输和解码。光的多维度特性也是其相较电而言作为信息载体的重大优势。作为一种具有无穷正交特性的物理维度，OAM已经在光通信领域展示出对于提升带宽的重要价值。
然而，在应用更为广泛的全息领域，OAM的高维特性始终无法发挥作用。这是因为两个原因：第一，OAM光束的螺旋波面会被传统全息图破坏。第二，经典布拉格衍射公式无法体现出针对再现光OAM维度的选择性。因此，OAM始终无法成为全息过程的信息载体，更无法用作提升带宽。
本研究创造性地将布拉格衍射定律延伸到了傅立叶空间。如图一所示，在傅立叶空间中，具有不同螺旋阶数的OAM光束表现出不同的空间频率分布，螺旋阶数越大则空间频率越大。顾敏团队利用这一特性，根据入射OAM光束的空间频率分布设计出相应的采样阵列，对数字图像进行重新编码，由此计算出能够保存螺旋相位的全息图。为了实现全息图的OAM选择性，研究者在全息图中叠加螺旋相位分布，根据轨道角动量守恒定律，只有当再现光拥有对应的反向螺旋相位时才能复原出像素为拥有高斯频率分布的图像。
图一 OAM全息理论。（a）OAM空间频率分析及采样点阵设计方法；（b）采样间距与OAM阶数的关系；（c）(d）OAM-保存全息图的设计及表征；（e）(f)具有OAM选择性全息图的设计及表征。
研究者进一步用实验演示了基于轨道角动量全息理论的高安全性能光学加密过程。首先利用-50至50阶的螺旋相位对10张图片进行编码复用，设计OAM复用全息图扮演10比特OAM加密文。用户获得的不同OAM密钥后，通过全息显示的方式解密出相应的信息。由于OAM物理维度不存在理论极限，超宽带OAM全息技术可以让信息加密领域的安全性能得到前所未有的提升。
图二 OAM全息在全息加密中的应用。（a）10张图片的OAM编码；（b）(c)10比特OAM密文及实验表征；（d）全息加密、解密流程图。相关研究成果以“Orbital angular momentum holography for high-security encryption”为题发表在Nature Photonics [14, 102-108 (2020)]上。论文通讯作者为上海理工大学人工智能纳米光子学实验室顾敏院士。上海理工大学光电学院特聘研究员方心远博士、德国Ludwig-Maximilians-University洪堡研究员任浩然博士为本工作的并列第一作者。论文第一单位为上海理工大学，合作单位包括墨尔本皇家理工大学和南京大学。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-019-0560-x
来源：optics1964 中国激光
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5ODA5ODU3NA==&mid=2653258904&idx=2&sn=826caa74d2c0a34fa0a5d37092490ff1&chksm=bd1ec7798a694e6fd67818870e10a98deab1b5b3b57feaaa202220e0af8ddc3548f5ff6d8ca1#rd
版权声明：除非特别注明，本站所载内容来源于互联网、微信公众号等公开渠道，不代表本站观点，仅供参考、交流、公益传播之目的。转载的稿件版权归原作者或机构所有，如有侵权，请联系删除。
电话：（010）86409582
邮箱：kejie@scimall.org.cn
