用少量的光子高效“點亮”光渦旋

實驗室裏常見光波的等相位麵一般都是平麵的，因此稱為平麵波前。近年來，攜帶軌道角動量的渦旋光束也引起了科學界和產業界的廣泛興趣。這類特殊的光束具有螺旋的等相位麵，光束的中心為相位奇點，光強為零，從而整個光斑呈現出中空結構。更加形象的類比是當用筷子快速攪拌水杯中的水，水的中央也會形成一個空心的渦旋；自然界中常見的還有大氣渦旋（如台風眼）、星係渦旋等。

光學渦旋與光子軌道角動量緊密關聯，而光子軌道角動量的重要意義在於利用單個光子實現N進製光子信息的編碼。因此，光學渦旋操控、探測目前已成為國際上新型光通信體製和量子信息處理等領域的一個研究熱點。在強光背景下，渦旋中心是個暗斑，因此可以方便地用CCD等探測器直接識別。但是在極微弱光場下，特別是在光子可數水平下，渦旋將隱匿於一片漆黑的背景中，從而無從辨認。

圖1 陣列渦旋的掃描“點亮”，亮斑中心即為渦旋核的位置。

為了解決弱光條件下光學渦旋探測的難題，廈門大學物理科學與技術學院陳理想教授課題組和加拿大渥太華大學Ebrahim Karimi教授合作，首次將螺旋相襯技術推廣到高階拓撲荷數，通過在傅裏葉平麵掃描高階螺旋相位濾波片，成功實現了極微弱光場下各種渦旋，如數字或蝶翼陣列渦旋的高效“點亮”，從而對渦旋的拓撲荷數和位置進行了精準的測量。他們還基於傅裏葉變換光學理論以及泊鬆衍射亮斑現象對實驗結果進行了定性的解釋。有意思的是，基於EMCCD的測量結果，他們還發現在相同的背景光條件下，相對於低階拓撲荷數的渦旋，高階渦旋會被“點”得更亮；換句話說，在同等條件下，“點亮”一個高階的渦旋所需的光子數更少。

圖2 該工作被選為Laser & Photonics Reviews內封麵文章。

他們的實驗成果最近以“Revealing optical vortices with a small number of photons”為題發表在國際著名光子學期刊Laser & Photonics Reviews [11, 1600163 (2017)]上，並被編輯選為內封麵文章(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渦旋”，“這種易於集成的技術，有望用於天文望遠鏡探測來自遙遠星體發出的微弱光信號”。

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