1 深圳大学射频异质异构集成全国重点实验室，微纳光电子学研究院纳米光子学研究中心，广东 深圳 518060
2 之江实验室智能感知研究院，浙江 杭州 311100
自旋角动量是基本粒子和场的一个基本的动力学物理量，它在光与物质相互作用中扮演着极其重要的角色。在光学研究中，光的自旋角动量与圆极化密切相关，通过研究光学自旋与物质或结构的相互作用产生了许多新颖有趣的光学现象和光学应用，并诞生了自旋光学这一新兴学科。过去的研究中，研究人员主要聚焦在与平均波矢方向平行的纵向光学自旋。近年来，科研人员通过研究限制场如聚焦波、导波和倏逝波等的自旋轨道耦合性质，发现了一类新型的光学自旋，这类自旋与平均波矢方向垂直，因此被称为光学横向自旋。横向自旋具有自旋动量绑定的性质，一经发现便受到研究人员的广泛关注。横向自旋的发现拓展了光学自旋轨道相互作用的内容，并在光学操纵、光学精密检测、手性量子光学和光学自旋拓扑态等领域具有广阔的应用前景。本文从理论、实验技术和应用3个方面详细介绍自旋光学的最新进展。自旋光学的理论概念和框架可为研究人员进一步开拓基于光学自旋在光学成像、光学探测、光通信和量子技术等领域的应用发挥巨大的作用，同时也可拓展到一般经典波场，比如流体波、声波和引力波等。
物理光学 自旋角动量 自旋动量绑定 自旋轨道耦合 光学微分计算 光学探测 横向光学力 光学学报
2024, 44(10): 1026002
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
2 釜山国立大学物理系，韩国釜山 46241
光学轨道角动量（OAM）可以纵向OAM的形式存在于空间涡旋光束中，或以横向OAM的形式存在于时空光涡旋波包中。与涡旋光束不同，时空光涡旋波包在传播过程中同时受到衍射和色散效应的影响，造成波包在时空域内的展宽，并且时空光涡旋波包携带的横向OAM也会在传播过程中分裂。这两点限制了横向OAM在其他研究领域的应用。本文引入并研究了携带横向OAM的三维时空局域波包，此波包可以同时克服衍射与色散效应造成的时空域三维变化。在传播过程中，该时空局域波包的时空域分布不变，且在遇到障碍物后也能快速重新恢复到原有的状态，具有传播不变以及自恢复的特性。本文对时空局域波包的传播过程以及经过障碍物后的恢复过程进行了数值模拟仿真，证实了其传播不变特性和自恢复特性。这种携带横向OAM的三维时空局域波包为横向OAM未来的利用提供了新的机遇，有望应用于光通信、量子光学、光学成像等领域。
横向光学轨道角动量 三维时空局域波包 传播不变 自恢复 光学学报
2024, 44(10): 1026018
1 中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站，吉林 长春 130117
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室，江苏 南京 210008
4 吉林师范大学信息技术学院，吉林 四平 136000
为提升长春站卫星激光测距数据稳定性，从卫星激光测距物理机制及评价指标出发，建立了基于精密星历的数据评价系统，分析了长春站数据的稳定性及外符合精度。根据分析结果，采用前沿半峰 （LEHM） 剪切算法改进数据预处理方法，降低了卫星形状效应对数据精度和稳定性的影响。分析表明，基于精密星历的数据评价系统与国际卫星激光测距组织（ILRS）数据中心评价结果一致。采用LEHM剪切算法进行数据处理后，长春站Lageos-1卫星数据的标准点精度由4.9 mm提高至3.9 mm，短期稳定性由19.8 mm提高至18.1 mm，长期稳定性由6.2 mm提高至5.4 mm，外符合精度由79.6 mm提高至68.2 mm。改进的数据预处理算法可有效提升数据稳定性及外符合精度，为长春站数据稳定性与精度的进一步提升指出了方向。
卫星激光测距 精密星历 轨道检核 数据评价 卫星形状效应 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706019
1 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
2 湖北光谷实验室，湖北 武汉 430074
介绍了无线通信和涡旋电磁波的基本概念及相关技术，详细回顾了近年来基于涡旋电磁波的无线通信技术实验研究进展，包括微波涡旋电磁波通信、太赫兹涡旋电磁波通信、中红外涡旋电磁波通信、近红外涡旋电磁波通信和可见光涡旋电磁波通信等。同时，介绍了卫星涡旋激光通信技术的理论研究进展以及拓展结构光（如贝塞尔光和矢量光等）通信在抵抗障碍物和湍流影响方面的实验研究进展。最后也讨论了涡旋电磁波无线通信技术的挑战与展望。多频段和多维度融合的涡旋电磁波及拓展结构化电磁波，可以为多场景、跨尺度、大容量、远距离、高鲁棒性的无线通信提供潜在解决方案，也有望应用于未来卫星通信中。
无线通信 自由空间光通信 轨道角动量 涡旋电磁波 结构化电磁波 卫星通信 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706001
针对轨道扣件表面结构复杂导致的线结构光照射分布不均匀问题，研究了一种基于改进灰度重心法的光条中心线提取方法，精准重构了轨道扣件点云模型。基于点云模型提取了轨道扣件的结构特征信息，建立了轨道扣件缺陷检测组合分类器模型，实现了轨道扣件的弹条缺失、扣件歪斜、螺母缺失等缺陷检测。研究了基于表面法向量的螺母上平面解析方法，通过螺母松动测量实验实现了轨道扣件的松动检测。搭建了扣件故障诊断实验平台并开展了相关实验研究，实验结果表明，系统扣件故障检出率达到96%，扣件松紧度测量的总体误差低于0.2 mm，扣件故障诊断系统的检测效果和鲁棒性较好，对列车安全运行具有重要的现实意义。
测量 三维图像处理 轨道扣件 线结构光 中心线提取 故障诊断
1 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094
2 长光卫星技术股份有限公司, 吉林 长春 130000
本文针对空间目标受到的太阳辐射、地球辐射、地球反照辐射，采用蒙特卡洛（Monte Carlo）法，基于非结构四面体网格编写了仿真程序，并对计算结果进行了对比验证。进一步地，对太阳同步轨道卫星受到的轨道外热流，采用带帆板的网格对有无遮挡情况下各表面受到的轨道外热流进行了分析。结果显示，在对地模式下考虑遮挡后，−Y表面平均热流值降低了53.79 W/m2，+Y−Z侧帆板表面平均热流值降低了32.05 W/m2。结合表面材料属性，分析了各表面的温度特性，并结合帆板温度的在轨遥测数据，验证了计算的准确性。最后，计算了两种模式下各方向的红外辐射强度。结果表明，不同观测模式下各表面受热流的影响不同，对地模式下各表面温度随时间变化较大，而对日模式下各表面热流较为稳定。两种模式下，太阳能帆板的温度较高，辐射强度较大，具有明显的红外特征，便于开展红外观测。
轨道外热流 空间目标探测 红外辐射 蒙特卡洛方法 orbit external heat flow space target detection infrared radiation Monte Carlo method
1 中铁工程设计咨询集团有限公司 郑州设计院，郑州 450007
2 兰州交通大学 自动化与电气工程学院，兰州 730070
依据周期测频法设计了以FPGA为核心器件的ZPW-2000移频信号检测实验仪。该实验仪采用8个计数器实现移频信息的检测，其中，边频检测采用2个计数器分别检测计数信号上下跳沿，通过选择2组计数值中较大值，使计数误差降低至0-1个计数信号周期，在200 MHz计数信号下，边频检测误差可控制在0.07 Hz以内；低频检测采用6个异步计数器，分别实现移频信号中低频成分的获取及低频频率的检测计算，低频频率计数器通过设置前N个状态进行低频计数，第N+1个状态进行计数值锁存分析的方式，有效降低了低频获取引起的误差。分析发现，当N≥10时，最大误差可降至0.029 Hz以下。实验仪实测证明，边频、低频检测误差均能满足铁道标准TB/T 3532—2018中移频信号上下边频误差±0.15 Hz、低频误差±0.03 Hz的要求；检测实验仪能准确解算出基于FPGA的ZPW-2000移频信号发码实验仪移频信息，解决了ZPW-2000系列轨道电路移频信号教学及实验任务必须采用铁路专用设备的限制，结合发码实验仪可为学生更直观地展示轨道电路发码与检测过程，使学生更加深入地了解移频轨道的电路原理。
检测仪 移频信号 轨道电路 实验仪器 detector frequency shift signal track circuit experimental instrument 强激光与粒子束
2024, 36(1): 014002
长春理工大学物理学院吉林省固体激光技术与应用重点实验室，吉林 长春 130022
基于Rytov近似，理论推导了完美涡旋光束（PVB）经过大气湍流水平信道后的螺旋相位谱解析表达式，研究了大气湍流中光束波长、半环宽、发射处轨道角动量（OAM）模态、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数对OAM模态探测概率和串扰概率的影响。结果表明：随着发射处OAM模态、传输距离、光束半径、近地面折射率结构常数以及湍流系数的增加，经大气湍流传输后的探测概率下降；随着光束波长的增加，经大气湍流传输后的探测概率增加。此外，PVB在近场的探测概率几乎不随发射处OAM模态变化，而当光束传输到远场时，探测概率随发射处OAM模态变化明显，这是因为PVB传输到远场变成类贝塞尔光束，其光束半径随发射处OAM模态变化明显。
大气光学 完美涡旋光束 轨道角动量 湍流大气 螺旋相位谱
1 中国科学院大学自适应光学重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
3 中国科学院大学，北京 100049
倾斜透镜可以将拉盖尔-高斯光束转换为厄米-高斯光束。因此，推导了基于倾斜透镜的拉盖尔-高斯光束阵列与厄米-高斯光束阵列相互转换的位置映射关系。当倾斜透镜绕任意轴旋转一定角度时，两光束阵列的位置将会关于该轴对称。实验中，利用空间光调制器生成了1×1、2×2、3×3、3×1、1×3的拉盖尔-高斯光束阵列，并用倾斜透镜将其转换为厄米-高斯光束阵列，通过对比两光束阵列的光场分布，验证了上述理论分析结果。实验结果与理论分析完全一致。该工作为拉盖尔-高斯光束阵列的轨道角动量测量提供了更明确的理论指导。
拉盖尔-高斯光束阵列 轨道角动量测量 倾斜透镜 位置映射关系 厄米-高斯光束阵列 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0507001
