實(shí)驗(yàn)室里常見光波的等相位面一般都是平面的，因此稱為平面波前。近年來，攜帶軌道角動(dòng)量的渦旋光束也引起了科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛興趣。這類特殊的光束具有螺旋的等相位面，光束的中心為相位奇點(diǎn)，光強(qiáng)為零，從而整個(gè)光斑呈現(xiàn)出中空結(jié)構(gòu)。更加形象的類比是當(dāng)用筷子快速攪拌水杯中的水，水的中央也會(huì)形成一個(gè)空心的渦旋；自然界中常見的還有大氣渦旋（如臺(tái)風(fēng)眼）、星系渦旋等。
光學(xué)渦旋與光子軌道角動(dòng)量緊密關(guān)聯(lián)，而光子軌道角動(dòng)量的重要意義在于利用單個(gè)光子實(shí)現(xiàn)N進(jìn)制光子信息的編碼。因此，光學(xué)渦旋操控、探測(cè)目前已成為國際上新型光通信體制和量子信息處理等領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在強(qiáng)光背景下，渦旋中心是個(gè)暗斑，因此可以方便地用CCD等探測(cè)器直接識(shí)別。但是在極微弱光場(chǎng)下，特別是在光子可數(shù)水平下，渦旋將隱匿于一片漆黑的背景中，從而無從辨認(rèn)。
圖1 陣列渦旋的掃描“點(diǎn)亮”，亮斑中心即為渦旋核的位置。
為了解決弱光條件下光學(xué)渦旋探測(cè)的難題，廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳理想教授課題組和加拿大渥太華大學(xué)Ebrahim Karimi教授合作，首次將螺旋相襯技術(shù)推廣到高階拓?fù)浜蓴?shù)，通過在傅里葉平面掃描高階螺旋相位濾波片，成功實(shí)現(xiàn)了極微弱光場(chǎng)下各種渦旋，如數(shù)字或蝶翼陣列渦旋的高效“點(diǎn)亮”，從而對(duì)渦旋的拓?fù)浜蓴?shù)和位置進(jìn)行了精準(zhǔn)的測(cè)量。他們還基于傅里葉變換光學(xué)理論以及泊松衍射亮斑現(xiàn)象對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了定性的解釋。有意思的是，基于EMCCD的測(cè)量結(jié)果，他們還發(fā)現(xiàn)在相同的背景光條件下，相對(duì)于低階拓?fù)浜蓴?shù)的渦旋，高階渦旋會(huì)被“點(diǎn)”得更亮；換句話說，在同等條件下，“點(diǎn)亮”一個(gè)高階的渦旋所需的光子數(shù)更少。
圖2 該工作被選為L(zhǎng)aser & Photonics Reviews內(nèi)封面文章。
他們的實(shí)驗(yàn)成果最近以“Revealing optical vortices with a small number of photons”為題發(fā)表在國際著名光子學(xué)期刊Laser & Photonics Reviews [11, 1600163 (2017)]上，并被編輯選為內(nèi)封面文章(Inside Cover Paper)。編輯指出，“來自中國和加拿大的研究人員僅利用少量的光子就照亮了光學(xué)渦旋”，“這種易于集成的技術(shù)，有望用于天文望遠(yuǎn)鏡探測(cè)來自遙遠(yuǎn)星體發(fā)出的微弱光信號(hào)”。
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