近幾十年來，OAM光束或光學渦旋光束由于其獨特的特性已被用于各種有趣的應用，如光鑷和原子操縱、顯微鏡、遙感和量子信息。在提高自由空間/光纖通信系統的光譜效率和傳輸能力方面也引起了人們的廣泛關注。在許多應用中，檢測光學渦旋光束的TC值（包括模量和符號）似乎尤為重要。

課題組提出并演示了一種利用徑向相位光柵檢測光渦旋光束光子拓撲電荷（TCs）的方法。基于數值模擬結果，并通過實驗驗證了所提方法的可行性。渦旋光束產生和檢測的實驗裝置如圖1（a）所示。實驗所用SLM為UPOLabs液晶空間光調制器HDSLM64R。

圖1 用于產生和檢測渦旋光束的實驗裝置

TCs的模量可以通過遠場衍射圖樣的暗條紋數量來獲得，TCs的符號由圖樣的取向決定。該方案演示了高達±120的TCs檢測。此外，通過研究光柵不同方位角周期的圖案演變以及光柵中心與渦旋光束之間的距離，表明該檢測方案具有優異的對準公差，并且對光柵的參數沒有嚴格的要求。圖2為RPG渦旋光束TC檢測示意圖和數值模擬結果。

圖2 RPG渦旋光束TC檢測示意圖和數值模擬結果

圖3顯示了l=+2,+5,+8,+10,+12,+15,+20,+25,+60,+120時的檢測渦旋光束TCs的相應實驗結果。歸一化后實驗結果與上述數值模擬結果吻合較好。

圖3

圖4顯示了l=-2,-5,-8,-10,-12,-15,-20,-25,-60,-120時的渦旋光束TCs檢測的相應實驗結果。對于負 TCs 的檢測，圖案的方向在垂直方向上旋轉 90°。值得注意的是，當TCs數量相對較高時，圖案的分辨率會降低，使其難以識別。如圖 4 所示，當 TCs 數量大于 20 時，遠場圖案變得有點模糊，不容易計算暗條紋的數量。盡管如此，我們仍然可以根據衍射圖的方向獲得TCs的符號。

圖4

該光柵僅產生負的一階衍射圖，衍射效率接近 100%，并且對于負 TC 檢測，圖案的方向在水平方向上旋轉，而對于正 TC 檢測，圖案的方向變為垂直。因此，我們可以實現對渦旋光束的TC的檢測，最高可達-120。因此，所提方法可以檢測高達±120的高階渦旋光束的TC。如圖3和圖4所示，在我們的實驗中，由于渦旋光束源的不理想和由此產生的不理想的圓對稱強度分布，l=±120的衍射圖樣不是那么對稱。但是，仍然可以清楚地計算出深色條紋的數量。

為了進一步驗證該方案的性能，我們還對情況進行了數值和實驗研究當距離 D 和周期 P 變化時。圖5顯示了l=+8的渦旋光束穿過D=5 mm、8 mm、10 mm、12 mm和15 mm的RPG后遠場衍射圖樣的數值模擬和實驗結果。RPG 的方位角周期 P 設置為 0.02 rad。當距離D發生變化時，遠場衍射圖樣也隨之變化。對于較大的距離D，RPG的間隔也變大，從而降低了衍射效應，從而導致衍射圖樣模糊，更接近零級衍射的位置。然而，從 D=5 mm 到 D=12 mm 仍然可以觀察到不同的模式。因此，該方案在對準時具有出色的公差。

圖5

圖6顯示了l=+6的渦旋光束穿過方位角周期P=0.01 rad、0.015 rad、0.02 rad、0.03 rad和0.04 rad的RPG后遠場衍射圖的演變。D的值設置為 8 mm。當 P=0.02 rad 的值時，可以觀察到最明顯的模式。RPG方位角周期的進一步減小或增加會逐漸降低渦旋光束探測的性能，但可接受的變化范圍很大，從0.015 rad到0.04 rad。因此，檢測方案對光柵的參數沒有嚴格的要求。

圖6

綜上所述，課題組展示了一種高效且可擴展的方法，用于檢測徑向相位光柵的光渦旋光束的光子TCs。渦旋光束的模量和TC符號的檢測可以通過分別計算暗條紋的數量和觀察遠場衍射圖的方向來實現。RPG方法是可擴展的，可對不同階數的 OAM 光束進行穩健檢測。通過該方案，我們實驗實現了對高達±120的光子TCs的檢測。需要注意的是，如果使用具有更大有效面積和更高分辨率的SLM和CCD，該方法可以進一步放大以檢測更高的階數。所展示的方法還具有出色的徑向相位光柵參數偏差公差。值得一提的是，由于不同OAM態之間的衍射階數相同，所提出的光柵無法探測到許多不同OAM態疊加的OAM光譜。

審核編輯：劉清