复旦大学光子晶体课题组长期聚焦光子晶体等微纳光子材料的光场调控研究和针对微纳材料和器件的先进光学量检测技术的开发和应用，与上海复享光学股份有限公司合作在基础创新、技术突破和产学研转化方面取得了一系列成果。 一、项目分类 显著效益成果转化 二、成果简介 当今，光，作为几乎所有远程探测的手段和信息传播的媒介，对光的多维度测量分析和自由调控，既直接关系到未来信息收集、处理和传输的灵敏度和速率，也与先进微纳制造的精度、效率和能耗等诸多国家核心技术的竞争力息息相关。 复旦大学光子晶体课题组长期聚焦光子晶体等微纳光子材料的光场调控研究和针对微纳材料和器件的先进光学量检测技术的开发和应用，与上海复享光学股份有限公司合作在基础创新、技术突破和产学研转化方面取得了一系列成果。 在基础创新方面： ①动量空间光学测量思想：光与微纳结构的相互作用遵循频率-动量色散关系，也被称为光子能带。在原理上，类似于半导体利用其电子能带操控电子，光子晶体等微纳光子材料也可以通过光子能带操控光。而光子能带的本质存在于动量空间。相比于已经商业化的可探测固体材料动量空间中复杂电子能带的多维度角分辨光电子能谱设备，针对光子晶体等光子材料动量空间中光子能带的多维度光谱测量技术和设备在全世界尚属空白，亟需发展。团队突破了传统光谱测量思路，提出了从动量空间视角量检测微纳光子器件光学性能的思想。 ②适合微纳尺寸器件的动量空间成像技术：微纳尺寸的测量依赖显微镜。但显微技术在追求实空间分辨率的同时丧失了动量空间的分辨能力。此成果将傅里叶光学技术与显微技术相融合，解决了动量空间成像的像差和色差问题，实现了实空间和动量空间的双高分辨率。 ③多维度光学信息提取：相位和偏振态是可供光子器件信息调制的新自由度。团队将时域外差干涉技术延拓到具有显微分辨能力的动量空间外插干涉技术，单次成像实现了在光波长尺寸内40毫弧度的相位测量精度。同时，建立了适合于动量空间成像测量技术的耦合模理论，实现了在非相干的白光照明下任意椭圆偏振态的测量。 ④光学量测中国解决方案：处于芯片产业上游的微纳制程光学量测环节，是芯片良品率控制的关键。在此关键领域，我国远远落后于国际先进水平。动量空间成像光谱技术所采集的多维度光谱信息富含微纳结构的三维形貌信息。团队提出并实现了基于动量空间成像光谱技术的全新光学微纳制程量测新原理和新技术。该原理利用深度神经网络构筑了微纳米尺度结构与动量空间色散的构效关系和映射。同时，由于在所测量的色散关系中包含了冗余的结构信息，因此在实际技术应用中极大优化了量测逆问题中测量噪音带来的病态问题。 ⑤相关成果：团队以通讯作者发表1篇Nat.Photon.，1篇Nat.Commun.，3篇PRL，4篇Light：Sci.&Appl.，1篇Sci.Bull.，1篇Light:Advanced Manufacturing等国内外高水平期刊论文。动量空间成像光谱技术使动量空间得以被直接实验观测，并成为发现新光场调控机制的眼睛。团队利用此技术首次实验揭示了动量空间中存在具有拓扑奇点的偏振场，提出了动量空间中光场调控的新思路，开辟了光子晶体在全偏振态、涡旋光束生成和光束位移操控方面的新应用。由于周期性光子晶体无几何中心，因此不需光学对准，具有应用价值，成果被评为2020年度中国光学十大进展，入选ISI高被引论文。日本NTT首席科学家Notomi在Nat.Photon.上以"动量空间中的拓扑成真"为题对团队工作进行专题报道，给予高度评价。 在技术突破方面： ①在国际上首次实现了广谱符合阿贝正弦关系的动量空间成像光谱设备。其中动量分辨率小于1.7毫弧度，实空间分辨率小于600纳米，相位分辨率小于40毫弧度，最大偏振度误差小于1%，波长分辨率小于0.1纳米。 ②结合产业需求和动量空间成像光谱技术的优势，提供了一系列产业问题的分析解决方案，包括利用动量空间偏振依赖的辐射分布量测发光分子三维取向分布和利用动量空间光子色散关系逆向量测微纳结构纳米精度的三维形貌等。实测结果达到亚纳米分辨稳定性和98%以上的置信度，测量膜厚与计量认证厚度差异小于5埃。 ③相关成果授权发明专利9项，在申请PCT国际专利2项。

实验上测量了800nm和400nm园偏振激光与Xe原子相互作用作用的多光子电离过程，通过冷靶电子离子动量谱仪，实现光电子能谱和动量谱的高精度测量。实验上，发现在400nm波长条件下，测量到可分辨多光子特征的电子能谱和动量谱结构。由于Xe原子具有很强的自旋轨道耦合效应，实验上观测到3/2P（红色箭头）和1/2P（白色箭头）引起的能级分裂的动量分布和能量分布.而对于1/2P能级，在园偏振激光作用下，可以选择性性激发自旋向下或自旋向上的电子 [图1（d）]，因此，可以通过1/2P能级可以实现高自旋极化度的光电子。

本发明公开了一种光束轨道角动量值的检测装置和检测方法，检测装置包括顺着光束传播路径设置的半波片、空间光调制器、聚焦透镜和CCD相机，所述空间光调制器和CCD相机均与计算机相连；该检测方法通过观察远场衍射图样中高斯亮斑的位置判断高斯光束所处的衍射级次，从而得到入射螺旋光束所具有的轨道角动量值；本发明的检测装置，具有结构简单、检测方便的优点。

一种利用轨道角动量提高无线通信容量的方法，属于无线通信方法，利用轨道角动量作为数据信息载体，解决现有无线通信所存在的频谱资源紧张，通信容量提升有限的问题。本发明包括构建发射天线步骤、设立接收天线步骤、获取信道矩阵步骤、发送数据步骤和接收数据步骤。本发明利用轨道角动量中拓扑荷相互正交的物理特性进行通信，充分利用多输入多输出技术的潜力，复用轨道角动量，无需增加新的频段即可有效提升容量；只要接收端天线的方位角满足一定等式关系，不改变通信系统的核心部件，可以得到最大的容量提升，所需的代价较小，且对其他通信系统无影响，可应用于现有的各种无线通信系统。

本发明公开了一种螺旋光束轨道角动量谱的检测装置和检测方法，检测装置包括顺着光束传播路径设置的半波片、空间光调制器、聚焦透镜、孔径光阑和光纤耦合头，光纤耦合头通过单模光纤与数据采集模块相连，数据采集模块与控制模块相连，空间光调制器也与控制模块电连接；该检测方法通过观察待测螺旋光束的衍射光场中基模高斯光束经耦合输出后的光功率谱，可得到待测螺旋光束具有的轨道角动量值或轨道角动量谱；该装置不仅可以实现对任意轨道角动量值的螺旋光束的快速检测，同时，能够实现对螺旋光束轨道角动量谱的准确测量。

本发明公开了一种基于旋转多普勒效应的轨道角动量模式分析 仪。包括激光器、空间相位板、分束器、旋转多普勒效应发生器、模 式滤波器和光强探测装置；空间相位板和分束器依次设置在激光器的 输出光路上，旋转多普勒效应发生器设置在分束器的输出光路上，用 于将分束器输出的单束光中不同的 OAM 模式转换成基模，并且产生 不同的多普勒频移，输出散射光，模式滤波器设置在旋转多普勒效应 发生器的输出光路上，用于从散射光中滤出基模，光强探

把具有C3旋转对称性的超构单元按照一定序构排列起来形成圆形的超构表面，超构表面携带的拓扑电荷为q，理论分析表明这类超构表面上产生的非线性谐波的自旋和轨道角动量分别为：s=±σћ；l n =(n∓1) σqћ。对应倍频谐波情况：s=-σћ；l SHG =3σqћ。因此，结合光的自旋角动量控制的非线性几何相位与拓扑电荷的概念，可以通过超构表面上实现对非线性谐波辐射过程中光的自旋、轨道角动量的同时控制。了解了相关物理机制，为如何在微纳尺度上产生并控制光的自旋、轨道角动量两个维度，设计高密度、多功能光信息处理芯片等奠定重要科学与技术基础。