环球今热点：吉大实现10米以上贝塞尔高斯光束，为更深入角动量光子学铺平道路
近年来，凭借大景深和可自愈性的优势，贝塞尔光束在量子纠缠、水下三维成像、空间通信、光学微操控等领域有着十分广泛的应用。使用集成光学方法产生并操控贝塞尔光束，也是近些年的热门课题。
一般来说，贝塞尔光束传播长度都非常短只有毫米量级，因此很难用于通信和传感等领域。多年来，这一问题始终困扰着科学家们。
之前，吉林大学教授宋俊峰课题组在研究激光雷达的时候，利用分布在芯片上的多个相干激光光源（即光学相控阵），通过其在空间上的相干叠加，实现了光束整形和扫描，探测距离可以达到一百米。
(相关资料图)
基于此他和团队在想：能否使用类似形状的“光学相控阵”，来产生长距离的贝塞尔光束？幸运的是，当课题组利用 64 路圆环排列的光栅阵列作为“光学相控阵”时，果然产生了 10 米以上距离的贝塞尔高斯光束。
图 | 吉林大学宋俊峰教授（来源：宋俊峰）
通过这项研究，对于利用硅基光电子集成技术来产生和操控贝塞尔高斯光束（即涡旋光束）来说，他们也有了更深刻的认识。相关成果也能为高维度的激光通信、激光传感，以及更深入的“角动量光子学”铺平道路。
日前，相关论文以《利用集中分布光栅阵列生成贝塞尔-高斯光束进行远程传感》（On-chip generation of Bessel–Gaussian beam via concentrically distributed grating arrays for long-range sensing）为题发在 Light: Science & Applications 上[1]，ZhiZihao 是第一作者，宋俊峰担任通讯作者。
图 | 相关论文 （来源：Light: Science & Applications）
这种利用硅光芯片产生贝塞尔高斯光束的方法，有望为多个研究领域打开新的大门。比如在空间激光通信方面，贝塞尔光束与普通激光光束相比，前者最大的优势就是自愈性，即它在穿过小障碍物（如灰尘、小水滴等）后光束不变形，因此具有更好的抗干扰性。同时，涡旋光的阶数（拓扑荷数）也为空间通信提供了一个新的调制维度。
在传感上，该团队制作的贝塞尔高斯光束由正负一阶涡旋光组成，正如他们在论文里验证的那样，这种贝塞尔高斯光束可被用于旋转角速度的测量；在微操控上，可以对纳米粒子进行抓取、挑选等操作；在量子领域，这种具有确定“量子化”角动量的光子，可被用于研究光子与微观粒子角动量之间的耦合作用等。
尤其是采用硅基光电子集成技术在芯片上产生的贝塞尔光束，可以为大规模集成、小体积封装、低能耗操控等提供技术支撑。
研究中，课题组认为用圆周分布的光栅阵列结构，可以产生长距离传播的贝塞尔高斯光束，并且可以使用硅基光电子集成芯片来实现。
定下想法之后则要建立物理模型，并确立光子芯片的结构参数。为此，该团队调研了 1987 年以来的大量科研文献，并结合课题组在光学相控阵激光雷达设计方面的经验，确定了光子芯片的结构参数。
接下来要对芯片开展测试和分析。在搭建测试平台系统之后，他们通过理论模拟与实验结果对照分析，对贝塞尔光束的特性进行确认。
在探索应用研究的时候，课题组发现贝塞尔高斯光束由两个正负一阶涡旋光束叠加而成，因此利用光子旋转多普勒效应，可以建立起转速与两个涡旋光束差频的线性关系，通过对差频频率的测量反推计算出旋转速度。
“虽然这种机制早在 2013 年就已经被提出，但是利用小于 1 平方毫米的光子芯片进行实验验证的，目前我们是唯一一个。另外，我们也进行了激光雷达的测距研究，从而为高维度激光雷达提供了新方法。”宋俊峰表示。
而在集成光子芯片的设计与仿真上，其中的难点在于对光子调控物理机制的理解。期间，他们走了一些弯路。一开始该团队采用偶极子模型和平面波叠加模型，但是始终无法解释实验中贝塞尔光束随着传播距离发散的特性。
于是，他们采用简单的高斯光束叠加模型，结果发现偏振分布与实验并不相符。最后，课题组采用旋转坐标系结合矢量高斯光束叠加的模型，这一次的偏振分布和实验结果是吻合的。“在实验与理论的反复验证过程中，也让我们学到了更多知识。”宋俊峰表示。
贝塞尔光束的转速及测距实验，则是另一个难点。一开始由于课题组没有测量转速的设备和经验，于是改到深圳鹏城实验室去做实验。测了几天还是没有成功，大家一度非常泄气。
就在准备放弃的那个晚上，实验台上终于出现了预期的现象。在接下来的两周里大家反复调试，实验结果也越来越好。学生们对此也深有感触：“很多时候与成功的距离非常接近，只是由于一些细节没有做好，就走了很多弯路”；“只要理论上模拟是对的，实验上就一定能做出来”。
接下来，他们将重点研究贝塞尔光束的空间光通信、贝塞尔高斯光束的收发一体化集成芯片、贝塞尔高斯光束的空间传输能力、抗干扰能力等。
另一个方面，课题组也将开展贝塞尔光束和涡旋光束在量子领域方面的研究，希望为量子保密通信、量子传感做出贡献。
另据悉，早年期间宋俊峰本硕博均毕业于吉林大学，后在中科院长春光学精密机械与物理研究所完成博士后研究，几十年学术生涯均在东北度过。
他表示：“在吉林大学学习任教三十余年，感到非常幸运和光荣。吉林大学历史悠久、底蕴深厚，个别学科仍处于国内领先地位。吉林大学求实创新的态度和励志图强的作风，使教师和学生们少了一分浮躁，多了一分坚韧和沉稳。这在经济尚不够发达的地区显得弥足珍贵，相信吉林大学会越来越好。”
参考资料
1. Zhi, Z., Na, Q., Xie, Q. et al. On-chip generation of Bessel-Gaussian beam via concentrically distributed grating arrays for long-range sensing. Light Sci Appl 12, 92 (2023), doi:10.1038/s41377-023-01133-2.
2. Zhi, Z. H., Li, Y. Z., Chen, B. S. et al. A Theoretical Description of Integrated OAM Beam Emitters Using Conical Wave Model. Ieee Photonics Journal 14, 1-6, (2022) doi:10.1109/Jphot.2022.3149808.
3. Kim, S. Silicon photonic Bessel-Gaussian beam generation unlocks new possibilities for long-range sensing. Light Sci Appl 12, 141 (2023), doi:10.1038/s41377-023-01189-0.
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