请问如何使用径向相位光栅可扩展的光子拓扑电荷检测呢？

近几十年来，OAM光束或光学涡旋光束由于其独特的特性已被用于各种有趣的应用，如光镊和原子操纵、显微镜、遥感和量子信息。在提高自由空间/光纤通信系统的光谱效率和传输能力方面也引起了人们的广泛关注。在许多应用中，检测光学涡旋光束的TC值（包括模量和符号）似乎尤为重要。

课题组提出并演示了一种利用径向相位光栅检测光涡旋光束光子拓扑电荷（TCs）的方法。基于数值模拟结果，并通过实验验证了所提方法的可行性。涡旋光束产生和检测的实验装置如图1（a）所示。实验所用SLM为UPOLabs液晶空间光调制器HDSLM64R。

图1 用于产生和检测涡旋光束的实验装置

TCs的模量可以通过远场衍射图样的暗条纹数量来获得，TCs的符号由图样的取向决定。该方案演示了高达±120的TCs检测。此外，通过研究光栅不同方位角周期的图案演变以及光栅中心与涡旋光束之间的距离，表明该检测方案具有优异的对准公差，并且对光栅的参数没有严格的要求。图2为RPG涡旋光束TC检测示意图和数值模拟结果。

图2  RPG涡旋光束TC检测示意图和数值模拟结果

图3显示了l=+2,+5,+8,+10,+12,+15,+20,+25,+60,+120时的检测涡旋光束TCs的相应实验结果。归一化后实验结果与上述数值模拟结果吻合较好。

图3

图4显示了l=-2,-5,-8,-10,-12,-15,-20,-25,-60,-120时的涡旋光束TCs检测的相应实验结果。对于负 TCs 的检测，图案的方向在垂直方向上旋转 90°。值得注意的是，当TCs数量相对较高时，图案的分辨率会降低，使其难以识别。如图 4 所示，当 TCs 数量大于 20 时，远场图案变得有点模糊，不容易计算暗条纹的数量。尽管如此，我们仍然可以根据衍射图的方向获得TCs的符号。

图4

该光栅仅产生负的一阶衍射图，衍射效率接近 100%，并且对于负 TC 检测，图案的方向在水平方向上旋转，而对于正 TC 检测，图案的方向变为垂直。因此，我们可以实现对涡旋光束的TC的检测，最高可达-120。因此，所提方法可以检测高达±120的高阶涡旋光束的TC。如图3和图4所示，在我们的实验中，由于涡旋光束源的不理想和由此产生的不理想的圆对称强度分布，l=±120的衍射图样不是那么对称。但是，仍然可以清楚地计算出深色条纹的数量。

为了进一步验证该方案的性能，我们还对情况进行了数值和实验研究当距离 D 和周期 P 变化时。图5显示了l=+8的涡旋光束穿过D=5 mm、8 mm、10 mm、12 mm和15 mm的RPG后远场衍射图样的数值模拟和实验结果。RPG 的方位角周期 P 设置为 0.02 rad。当距离D发生变化时，远场衍射图样也随之变化。对于较大的距离D，RPG的间隔也变大，从而降低了衍射效应，从而导致衍射图样模糊，更接近零级衍射的位置。然而，从 D=5 mm 到 D=12 mm 仍然可以观察到不同的模式。因此，该方案在对准时具有出色的公差。

图5

图6显示了l=+6的涡旋光束穿过方位角周期P=0.01 rad、0.015 rad、0.02 rad、0.03 rad和0.04 rad的RPG后远场衍射图的演变。D的值设置为 8 mm。当 P=0.02 rad 的值时，可以观察到最明显的模式。RPG方位角周期的进一步减小或增加会逐渐降低涡旋光束探测的性能，但可接受的变化范围很大，从0.015 rad到0.04 rad。因此，检测方案对光栅的参数没有严格的要求。

图6

综上所述，课题组展示了一种高效且可扩展的方法，用于检测径向相位光栅的光涡旋光束的光子TCs。涡旋光束的模量和TC符号的检测可以通过分别计算暗条纹的数量和观察远场衍射图的方向来实现。RPG方法是可扩展的，可对不同阶数的 OAM 光束进行稳健检测。通过该方案，我们实验实现了对高达±120的光子TCs的检测。需要注意的是，如果使用具有更大有效面积和更高分辨率的SLM和CCD，该方法可以进一步放大以检测更高的阶数。所展示的方法还具有出色的径向相位光栅参数偏差公差。值得一提的是，由于不同OAM态之间的衍射阶数相同，所提出的光栅无法探测到许多不同OAM态叠加的OAM光谱。

审核编辑：刘清