近日，激光光谱研究所贾锁堂教授、汪丽蓉教授、元晋鹏教授研究团队在高维空间中的高保真频率转换研究方面取得了重要进展。相关研究成果“High-fidelity frequency converter in high-dimensional spaces”于7月5日发表在Laser & Photonics Reviews期刊上。元晋鹏教授和博士生王学文为论文的共同第一作者，汪丽蓉教授和陈刚教授为论文共同通讯作者，贾锁堂教授和肖连团教授为该工作提供了重要指导。

结构光场通过扩展和结合光子自由度，不断从空间结构中发展出更多可编码的维度，为通信通道和数据容量的扩展提供了可能性。高维频率转换器作为高容量频率接口的基础，是连接工作在不同频域的各种物理系统的关键。随着多维度信息编码的发展，对高保真度的不断追求受到了自由度固有基本性质的限制，特别是非线性过程对振幅和偏振的依赖性，对于可靠地执行信息传输至关重要。因此，在不同频段之间转换高维光场，同时完整地保留其特征仍然是一个瓶颈。完美庞加莱光束结合了自旋角动量和轨道角动量，实现了空间振幅、空间相位和空间偏振自由度的信息编码，同时利用其横向结构不变性构建了模式无关的非线性相互作用，相比于传统庞加莱光束可以有效克服转换过程中的畸变。

研究团队利用完美庞加莱光束与Sagnac非线性干涉仪，通过铷原子四波混频过程实现了高维空间中的高保真频率转换器，成功将任意庞加莱态从近红外波段转换到蓝紫波段。理论模拟了传统庞加莱光束和完美庞加莱光束的频率转换过程，基于空间斯托克斯测量方法对其保真度进行了定量表征。结果表明，传统庞加莱光束极易在转换过程中发生畸变，特别是对于非对称OAM态，而完美庞加莱光束有效地解决了这个问题。在实验上，利用自稳定的Mach-Zehnder干涉仪和液晶空间光调制器制备了参数精密可控的完美庞加莱光束，与另一束高斯型泵浦光同向传输注入Sagnac非线性干涉仪，通过构建两个正交的四波混频过程实现了任意庞加莱态的频率转换。分别从信号光和输出光中提取出六种偏振分量分析其空间拓扑结构，最终证明对任意庞加莱态的保真度都在99%以上。为了进一步增加系统容量，利用径向自由度实现了双环结构和类晶格结构完美庞加莱光束的模式复用。

图1高维频率转换器示意图

(a) 光子庞加莱态频率转换示意图；(b)高维频率转换器实验装置示意图。

图2理论模拟与实验结果

(a1-a4)和(b1-b4) 分别为两种尺寸下完美庞加莱光束的频率转换。

该工作得到了科技部重点研发计划、科技创新2030重大项目、国家自然科学基金、山西省“1331”工程重点学科建设基金、量子光学与光量子器件国家重点实验室以及省部共建极端光学协同创新中心的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202400368

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