复杂环境下部分相干涡旋光场轨道角动量鲁棒检测技术

涡旋光束携带的轨道角动量(OAM)被认为是形成不同于幅度、相位、偏振和频率的载波信号基础的新集合。通过与其他传统复用方法相结合，可以极大地扩展信道传输容量。然而，在传输过程中，光束除了因散射、折射、吸收等现象而损失自身能量外，还受到光束发散、光束漂移、闪烁等大气湍流扰动效应的影响，以及光束的遮挡等。障碍物，将严重影响其通信系统的性能。部分相干光束可以在一定程度上抵抗湍流大气或传输路径中的障碍物造成的负面影响。研究报告显示，兼具OAM和部分相干特性的部分相干涡旋光场在光束整形、重影成像、光通信、信息加密等领域显示出独特的优势。

如何准确检测部分相干涡旋光束的OAM信息是OAM复用光通信等许多应用领域的关键步骤。

早期研究人员使用干涉、衍射和傅里叶分析等方法来建立携带OAM/拓扑电荷的相位奇点与光强分布之间的联系。通过测量光强度，可以有效检测OAM/拓扑电荷信息。然而，上述方法仅适用于完全相干光束。随着相干性的降低，光束的相位奇点转变为空间相干结构，并且失去了操纵光强度的能力。特别是在低相干性的情况下，无法通过光强度获得OAM/拓扑电荷信息。为了克服这一限制，人们提出了一些基于测量空间相干结构的方法，包括散斑统计、Hanbury Brown-Twiss方法、自参考全息技术、相位摄动技术等。这些方法都只适用于特定条件下的测量无障碍物扰动，排除了复杂传输环境中的测量。这是因为障碍物和湍流大气对涡旋相位的复杂影响，导致空间相干结构的混沌分裂和破坏，相干涡旋的随机湮灭和产生，严重扭曲了OAM信息，阻碍了OAM信息的获取。其传输性能。因此，如何在复杂传输环境下准确测量部分相干涡旋光束携带的轨道角动量信息成为关键的科学问题，具有重要的应用价值。

本文作者提出了一种基于交叉相位控制的检测方案，实现了复杂环境下部分相干涡旋光束OAM信息的精确测量。仅依靠交叉相位对空间相干结构的各向异性控制就实现了拓扑电荷/OAM信息的鲁棒传输和远场检测。交叉相位引起的模式转换特性可以使隐藏在相干结构中的OAM/拓扑电荷信息呈现为具有多个孤立暗环的分布。分离的暗环的数量等于拓扑电荷的大小，拓扑电荷的大小决定了涡旋光束中每个光子携带的OAM。拓扑电荷的符号由分离暗环的排列方向决定，这决定了涡旋光束螺旋波前的旋转方向。因此，通过检测交叉相位调制后的相干结构，可以获得远场拓扑电荷信息。该方法不仅适用于自由空间传输环境中的检测，也适用于有障碍物和大气湍流干扰的传输环境中的检测。这是因为交叉相带来的自愈性能的提高足以抵抗复杂环境带来的不利影响。所提出协议的示意图如图 1 所示。

众所周知，部分相干拉盖尔高斯光束在远场的相干结构分布由一系列同心暗环结构组成，暗环的数量等于拓扑电荷的大小。因此，相干结构可以承载信息并用于信息传输和加密。然而，在复杂的传输环境下，由于相位扰动(湍流)的影响，原有的圆形对称结构明显扭曲[见图2]。2(a1)-(a4)]。特别是在幅度扰动(障碍物)和相位扰动(湍流)的共同干预下，相干结构受到更严重的破坏，成为散斑状分布[见图2]。2(b1)-(b4)]，使得我们无法获得拓扑电荷信息。文章指出，在交叉相位调制的影响下，用于表示拓扑电荷信息的相干结构具有很强的抵抗环境干扰的能力。即使在大气湍流和障碍物的双重扰动下，其结构始终保持不变，稳定存在，并具有可识别的多个孤立暗环分布[见图1和图2]。2(c1)-(d4)]。

图3所示为利用交叉相位测量部分相干涡旋光束的相干结构/拓扑电荷信息的实验结果。结果表明，通过调制交叉相位，部分相干拉盖尔高斯光束的相干结构在大气湍流和障碍物的影响下仍能保持稳定的空间分布(见图3)。此外，可以从这种分离的多奇点暗环结构中有效、快速地提取光束携带的拓扑电荷/OAM信息。为了进一步验证该方法的鲁棒性，作者还在不同湍流强度下(T =75℃和T =100℃)进行了相应的实验验证(参见原文图10)。实验与理论结果的高度一致性有力地证明了该方法的有效性、准确性和鲁棒性。该研究方法和成果在复杂环境下的光信息加密和自由空间光通信方面具有潜在的应用价值。

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