实验室里常见光波的等相位面一般都是平面的,因此称为平面波前。近年来,携带轨道角动量的涡旋光束也引起了科学界和产业界的广泛兴趣。这类特殊的光束具有螺旋的等相位面,光束的中心为相位奇点,光强为零,从而整个光斑呈现出中空结构。更加形象的类比是当用筷子快速搅拌水杯中的水,水的中央也会形成一个空心的涡旋;自然界中常见的还有大气涡旋(如台风眼)、星系涡旋等。

光学涡旋与光子轨道角动量紧密关联,而光子轨道角动量的重要意义在于利用单个光子实现N进制光子信息的编码。因此,光学涡旋操控、探测目前已成为国际上新型光通信体制和量子信息处理等领域的一个研究热点。在强光背景下,涡旋中心是个暗斑,因此可以方便地用CCD等探测器直接识别。但是在极微弱光场下,特别是在光子可数水平下,涡旋将隐匿于一片漆黑的背景中,从而无从辨认。


图1 阵列涡旋的扫描“点亮”,亮斑中心即为涡旋核的位置。

为了解决弱光条件下光学涡旋探测的难题,厦门大学物理科学与技术学院陈理想教授课题组和加拿大渥太华大学Ebrahim Karimi教授合作,首次将螺旋相衬技术推广到高阶拓扑荷数,通过在傅里叶平面扫描高阶螺旋相位滤波片,成功实现了极微弱光场下各种涡旋,如数字或蝶翼阵列涡旋的高效“点亮”,从而对涡旋的拓扑荷数和位置进行了精准的测量。他们还基于傅里叶变换光学理论以及泊松衍射亮斑现象对实验结果进行了定性的解释。有意思的是,基于EMCCD的测量结果,他们还发现在相同的背景光条件下,相对于低阶拓扑荷数的涡旋,高阶涡旋会被“点”得更亮;换句话说,在同等条件下,“点亮”一个高阶的涡旋所需的光子数更少。


图2 该工作被选为Laser & Photonics Reviews内封面文章。

他们的实验成果最近以“Revealing optical vortices with a small number of photons”为题发表在国际著名光子学期刊Laser & Photonics Reviews [11, 1600163 (2017)]上,并被编辑选为内封面文章(Inside Cover Paper)。编辑指出,“来自中国和加拿大的研究人员仅利用少量的光子就照亮了光学涡旋”,“这种易于集成的技术,有望用于天文望远镜探测来自遥远星体发出的微弱光信号”。

论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.201600163/full