清华大学龙桂鲁研究组：在自然光轨道角动量研究取得进展

【成果简介】

最近，龙桂鲁教授及其博士生杨哲与美国罗彻斯特大学Robert W. Boyd教授研究组以及中国地质大学高禄副教授合作，首次演示了利用自然光（热光）的轨道角动量强度涨落关联性质，实现对于振幅目标以及相位目标的识别。该成果以“Digital spiral object identification using random light”为题于2017年07月28日发表在Light: Science & Applications (2017) 6, e17013。该论文被选为期刊封面文章，杨哲为第一作者，龙桂鲁教授为共同通讯作者。

【图文导读】

图1 用自然光进行数字螺旋物体识别的实验装置

（a）实验设置

（b）自然光空间强度分布的图像

（c）振幅被编码到测试臂中的SLM中

图2 具有四到六重旋转对称性的振幅物体的数字螺旋识别

（a）具有α=π/ 6和β=π/ 4的四重旋转对称的物体
（b）α=π/ 8和β=π/ 3的类似物体
（c，d）相应的二阶相关矩阵
（e，f）分别由c和d中的虚线框表示的行

【研究内容】

光的轨道角动量是光的一种特殊性质，近年来引起了人们的广泛关注。光的轨道角动量具有广泛的应用前景，可以用来加载和传输高维信息、操纵微观粒子运动、进行光学度量、实现成像和遥感探测等，所以具有重要的研究价值。光的轨道角动量与方位角是一对傅立叶共轭量，利用这个关系，相干光经过特定的物体之后，其轨道角动量的分布会有特定的形状，通过测量谱分布，可以获得物体的振幅和相位信息，这种技术叫做数字螺旋成像（Digital Spiral Imaging）。除了相干光源之外，利用一对纠缠光子之间的轨道角动量的高阶关联性质，也可以实现两路分布的数字螺旋成像，其成像对比度以及识别效率非常高。

最近，龙桂鲁教授及其博士生杨哲与美国罗彻斯特大学Robert W. Boyd教授研究组以及中国地质大学高禄副教授合作，首次演示了利用自然光（热光）的轨道角动量强度涨落关联性质，实现对于振幅目标以及相位目标的识别。因为物体振幅或者相位信息会加载在傅立叶变换谱中，而通过对于二阶轨道角动量关联谱的测量得到的谱分布，可以反推物体的振幅或者相位信息。这种新型的目标识别技术具有压缩感知特性，需要的测量次数远远小于逐像素成像方案。而且，这个目标识别方案不需要制备脆弱的纠缠态，可以工作在任意的照明强度之下，所需要的识别时间远远小于使用纠缠光源的情况。另外本方案还具有抗干扰能力。

原文链接：http://www.phys.tsinghua.edu.cn/publish/phy/5282/2017/20170816004000138432094/20170816004000138432094_.html

文献链接：Digital spiral object identification using random light（Light: Science & Applications,2017,DOI:10.1038/lsa.2017.13）

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