OE1022锁相放大器与OE3001光学斩波器在太赫兹嫁接完美涡旋光束研究中的应用

太赫兹嫁接完美涡旋光束的设计与原理

该研究的核心思想是：将不同拓扑荷对应的螺旋相位“嫁接”到同一个完美涡旋光束环上，使光环不同区域携带不同的轨道角动量（图 1a、图 1b）。在等比例嫁接中，两个拓扑荷通常各占光环一半。当等效拓扑荷为整数时，光束相位连续，环形强度较完整；当等效拓扑荷为分数时，相位会出现跳变，并在光环上形成明显缺口（图 1a、图 1c）。为解决这一问题，作者提出了非等比例嫁接策略，引入嫁接比例、位置参数和补偿相位等自由度。通过调节不同拓扑荷在光环上的占比，可以让整体相位保持连续，从而消除强度缺口；也可以通过补偿相位主动引入相位跳变，实现缺口位置调控（图 1b、图 1d）。

图1.嫁接 PVB 的螺旋相位生成示意图.

其中 (a1)-(a6) 为等比例嫁接拓扑荷，(b1)-(b6) 为不等比例嫁接拓扑荷。

沿角向 θ 的包裹相位和展开相位中，(c1)-(c4) 为等比例嫁接拓扑荷，(d1)-(d4) 为不等比例嫁接拓扑荷。

纯相位全息图设计与实验系统搭建

为了在实验中产生目标光束，研究团队采用改进的双约束 Gerchberg–Saxton 算法，同时约束目标光束的振幅和相位，生成对应的纯相位全息图（图2a-c）。随后，作者利用 3D 打印技术制备太赫兹相位全息板（图2d）。实验中，太赫兹波经过相位全息板和傅里叶变换透镜后，在后焦面形成目标太赫兹嫁接完美涡旋光束。该过程将理论设计转化为实际器件验证，增强了结果的可靠性。实验系统采用 0.2 THz 连续波作为光源。太赫兹波经准直后由硅片分束器分为两路（图2）：一路通过 3D 打印相位全息板和傅里叶变换透镜，用于产生目标光束（图 2e）；另一路作为参考光束，与涡旋光束干涉，用于获得干涉图样并判断拓扑荷信息（图 2f）。在信号检测部分，实验使用太赫兹探测器和三维扫描平台对光束强度分布进行逐点扫描。赛恩科仪 OE3001 光学斩波器 用于调制太赫兹波，OE1022 锁相放大器 用于接收探测器，实现弱信号提取、提高信噪比并扩展系统动态范围。采集到的信号最终传输至计算机进行处理和成像。

图2.太赫兹嫁接 PVBs 生成系统示意图。Lens1：准直透镜；Lens2：傅里叶变换（FT）透镜；BS1 和 BS2：硅片分束器；M1 和 M2：银镜；PHP：相位全息板。(a) 目标环形强度，(b) 嫁接相位，(c) 纯相位全息图，(d) PHP，(e) 实验环形强度，(f) 干涉图。

实验结果

研究团队首先验证了等比例嫁接情况下的太赫兹完美涡旋光束。当等效拓扑荷为整数时，仿真和实验结果均显示光束保持清晰的环形强度分布，光束半径基本不随拓扑荷变化，体现出完美涡旋光束的典型特征（图 3）。

图3.生成的太赫兹嫁接 PVB 的强度、相位、干涉和 OAM 密度分布，其中嫁接拓扑荷为等比例，且 ETC 为整数。

(a1)-(a4) 仿真强度和嫁接螺旋相位（插图），(b1)-(b4) 实验强度及其剖面（插图），(c1)-(c4) 仿真相位，(d1)-(d4) 实验螺旋干涉图，(e1)-(e4) 仿真 OAM 密度以及 OAM 值与嫁接拓扑荷之间的关系（插图）。

当等效拓扑荷为分数时，仿真和实验结果显示，光环中会出现明显强度缺口（图 4a、图 4b）。对应相位图表明，缺口位置与相位不连续区域一致，证明光环缺口来源于相位跳变（图 4c）。

图4.生成的太赫兹嫁接 PVB 的强度和相位，其中嫁接拓扑荷为等比例，且 ETC 为分数。

(a1, a2) 仿真强度和嫁接螺旋相位（插图），(b1, b2) 实验强度，(c1, c2) 仿真相位。

在非等比例嫁接实验中，研究人员通过调节嫁接比例和补偿相位，使原本存在相位跳变的光束重新保持相位连续。实验结果显示，光环强度缺口可以被有效消除，光束重新形成完整环形结构（图 5a、b）。同时，光环半径基本稳定，相位、干涉图和 OAM 密度结果进一步证明拓扑荷分布比例可控（图 5c–f）。

图5.生成的太赫兹嫁接 PVB 的强度、相位、干涉和 OAM 密度分布，其中嫁接拓扑荷为不等比例。(a1)-(a4) 仿真强度和嫁接螺旋相位（插图），(b1)-(b4) 实验强度及其剖面（插图），(c1)-(c4) 仿真相位，(d1)-(d4) 实验螺旋干涉图，(e1)-(e4) 仿真 OAM 密度，(f) 沿 OAM 环的变化曲线。
进一步地，作者通过调节补偿相位主动引入光环缺口，并实现缺口位置移动（图 6）。这说明该方法不仅可以消除缺口，也可以根据需求产生可控缺口，为复杂太赫兹光场设计提供了更多调控方式。

图6.生成的太赫兹嫁接 PVB 的强度和相位，其中嫁接拓扑荷为不等比例，且 ETC为分数。(a1)-(a4) 仿真强度和嫁接螺旋相位（插图），(b1)-(b4) 实验强度，(c1)-(c4) 仿真相位。

最后，研究团队生成了双环太赫兹嫁接完美涡旋光束。结果表明，内外两个光环可以分别携带不同拓扑荷分布，且环半径与设计值基本一致（图 7a、b），相位图、干涉图和 OAM 密度分布进一步证明，双环结构中可以同时实现等比例和非等比例拓扑荷嫁接（图 7c–e），说明该算法可扩展到更复杂的多环太赫兹光场结构。

图7.生成的双环太赫兹嫁接 PVB 的强度、相位、干涉和 OAM 密度分布，其中内环和外环的嫁接拓扑荷分别为不等比例和等比例。对于外环，ECTs 分别设为 le = 2（第一行）和 le =  3（第二行）。(a1, a2) 仿真强度和嫁接螺旋相位（插图），(b1, b2) 实验强度及其剖面（插图），(c1, c2) 仿真相位，(d1, d2) 实验螺旋干涉图，(e1, e2) 仿真 OAM 密度。

【研究结论】

该研究提出并通过实验实现了拓扑荷与嫁接比例均可控的太赫兹嫁接完美涡旋光束。通过改进双约束 Gerchberg–Saxton 算法和 3D 打印相位全息板，作者实现了拓扑荷组合、嫁接比例、光环缺口及双环结构的灵活调控。该工作丰富了完美涡旋光束的轨道角动量分布形式，为多维太赫兹光场调控提供了新思路。