多轨道角动量态的相干衍射叠层成像检测方法研究

Photons in optical vortices carry orbital angular momentum (OAM). The kinetic probability and the discrete unbounded state-space of OAM, lead to wide-ranging applications in optical micromanipulation and communication. And it offers the possibilities of realizing arbitrary quantum calculation and of extra high capacity optical communication. Unambiguous measurement and separation of OAM modes is a key part of all these applications. Therefore, a project will measure the multiple OAM modes by the approach of coherent diffractive ptychographical imaging (CDPI). This project involves a procedure that an acquisition of diffractive intensity patterns of a thin sample by an optical probe with a helical phase front overlapping scanning, and a reconstruction of the helical phase front from these diffractive images via diffraction model and phase retrieval, with or without the modulation function of the thin sample. Then, an identification of the topological core of the helix ascertains the value of OAM. It also includes building algorithms for multi-state decomposition to reconstruct the different helical phase fronts existed in a complex vortex beam parallelly, according to the blind signal separation theorem and the complex vortex beam diffraction. The final step, numerical simulations and optical experiments are performed to testify this approach，and to quantitatively evaluate its phase detection precision, the state scope of and the multiplexing amount of OAM modes which can be processed in this approach.

涡旋光中的光子携带有轨道角动量。轨道角动量具有光动力特性和无限取值的离散状态空间，从而使轨道角动量被用于光操控、光通信等多种领域，并有望实现任意量子态计算和超高信道容量通信。对单一或多个轨道角动量态的精确测量和状态识别、分离，是光子轨道角动量获得充分应用的关键。因此，本项目拟开展基于相干衍射叠层成像技术的轨道角动量检测研究。采用涡旋光束作为光探针，部分重叠地照射扫描薄样本并记录远场衍射强度图样，再利用涡旋光衍射模型和相位恢复算法，在薄样本调制函数已知和未知情况下，从衍射强度图样中重建单一涡旋光螺旋相位，识别其拓扑荷数并确定轨道角动量。根据多个轨道角动量复合光束的衍射模型和盲信号分离理论，设计多状态解混算法，并行重建复合光束中共存的多个涡旋光相位并识别轨道角动量。并通过仿真实验和实际光电实验对该方法进行验证，对其相位检测精度，以及所能处理的轨道角动量范围和数量的限制做出定量评估。

本项目开展了基于相干衍射叠层成像技术（CDPI）的轨道角动量（OAM）检测研究。建立了具有轨道角动量的涡旋光束的衍射传递模型，推导了远场衍射分布与轨道角动量态之间的关系。验证了通过相位恢复算法从涡旋光照射模板后透射光场的衍射强度图样中恢复其螺旋相位的必要条件及可行性，并阐明了单幅衍射图样相干衍射成像在涡旋光波前检测中的局限性。采用相干衍射叠层成像光路，使涡旋光重叠扫描照射模板并获得多幅衍射强度图样，确定系统参数并改进其叠层迭代相位恢复算法，在模板调制函数已知和未知情况下，实现了单一涡旋光束螺旋相位的重建，并设计和搭建实验光路对理论设想进行验证。设计改进了多模态叠层迭代算法（MsPA），使其能够在已知模板调制函数的情况下，并行检测轨道角动量多路复用光束中的多个轨道角动量模态，独立重建了由振幅调制或时间脉冲调制，并混合传输的各涡旋光束的波前，并对该方法在信道失衡、噪声污染、轨道角动量模态间部分相干等非理想条件下的检测性能，以及所能处理的轨道角动量数量限制做出了定量评估。数值实验验证了在无模板调制函数先验信息的前提下，该方法对多轨道角动量模态检测的局限性。并根据此性质，提出了基于轨道角动量复用叠层衍射成像的多维图像加密方法，以多个具有不同轨道角动量的光束分别重叠扫描照射多幅明文图像，其衍射强度图样阵列非相干地叠加得到密文图像；采用多模态叠层迭代算法，以相同轨道角动量光束为密钥，即可解码对应的明文图像。仿真实验验证了该方法具有较高的私密性，安全性和可靠性。.本项目的研究成果可用于轨道角动量复用通信中，完成逻辑信道识别和标定，以及轨道角动量编码通信与计算中，实现码字侦测和识别，也可用于多维图像加密传输的光学和计算机实现，为光轨道角动量复用技术的开发应用提供了新的思路。