更高维的结构光

教科书中对光的描述使人们注意到它的传统形式，即电磁波，包括波长和频率、振幅和相位以及由其偏振状态捕获的扰动方向（仅限于横向平面）。然而，光的结构可以是无限复杂的，具有许多自由度，每个自由度都有一个由其相应维度构成的潜在字母表。这些所谓的结构光形式，如图1所示，使人们超越了三维裁剪的光的横平面（所有三个电场分量），超越了空间（3D）和时间（1D）雕刻的四维场，超越了经典波到量子结构光。

这方面的一个典型例子是，从二维字母表中携带自旋角动量的偏振态到无限维字母表中带有轨道角动量的空间模式的演变。光子可以携带轨道角动量，这一点自原子物理学早期就已为人所知：虽然光强驱动的偶极电子跃迁（称为E1跃迁）很常见且在光-物质相互作用中交换一个角动量量子，但必要的四极跃迁（简称为E2跃迁），受光线强度梯度的驱动，被认为太少了，没有实际意义。30年前的一项研究将轨道角动量与光的螺旋相结构联系起来，这意味着轨道角动量光子可以在普通光学实验室中常规产生，这是轨道角动量和结构光的分水岭时刻。自由度的基本性质同样对其可控程度起着重要作用。例如，轨道角动量通过波前的螺旋扭曲形成了一个离散的可数基础，每一次扭曲都会产生每个光子额外的轨道角动量量子，而光的线性动量在尺寸上也是无限的，但自由度是连续可变的。该领域真正令人兴奋的是结合了奇异结构光的自由度。例如，自旋角动量和轨道角动量的组合产生的矢量涡旋光束，这是光纤的自然模式，长期以来被称为教科书解决方案，现在可以在实验室实现。因此，创建的同时还需要检测和控制，其挑战在于确定哪些自由度可以控制，控制到什么程度，使用什么工具。

为了应对这一挑战，以利用光的所有自由度为目标，近年来出现了电磁波的极端结构和无数先进应用，如光镊和捕获、光学传感和计量、快速安全的光学通信增强成像和显微镜以及先进的激光加工。在科学领域，结构光也允许通过创造无衍射、自愈合、加速光场和类似量子的经典光来测试和改变范例。

推动进一步的科学和应用需要通过结构光推动极限。但要挖掘潜力，需要一些谨慎。增加复杂性并不能保证疗效。例如，标量轨道角动量模不是传统光纤的本征模，而矢量组合是；模分复用是空间的一种特殊用途，而空分复用更为普遍。在这些示例中，必须仔细考虑模式填充空间的对称性和容量，以便为该目的构建光束。从这个角度概述这样做的好处。

尽管传统结构光的控制仅限于两个自由度空间模式和偏振，但仍有一些方法可以概括结构光的描述，以扩展自由度（多维）和维度（高维）。传统的庞加莱球体结构是一种优雅的工具，用于表示光的2D状态控制。注意，传统结构光总是指近轴光束，而紧聚焦波或倏逝波可能会产生纵向分量，这些分量表示为三维电磁场。然而，仍有许多空间模式涉及二维量子比特态以外的复杂光学变换，通常用于量子光学。例如，高阶厄米-拉盖尔-高斯模作为厄米-高斯模和拉盖尔-高斯模之间的象散瞬态，不能简单地用两个本征态的叠加来表示，而是用一组本征态来表示空间波包，试图建立一个优雅的几何模型来表示这种情况。图2a所示的模态庞加莱球面表示。复杂的空间模式肯定不受厄米-拉盖尔-高斯模式的限制，更一般的波包以SU(2)相干态的形式出现，建议利用更多的参数来访问多维光整形，例如，创建了一类耦合到Lissajous抛物线几何曲线的奇异3D几何模式，如图2b所示，其中，之前的厄米-拉盖尔-高斯模式只是新家族的特例。最近，模式Majorana球面被提出来表示一般的结构高斯模式。与之前的庞加莱球体模型（通过球体上的特定点表示光模式）不同，Majorana球体（图2c）通过球体上一组点描述了一种结构模式，揭示了扩展结构光的隐藏对称性。

除了寻找光模式的更高维表示方法之外，另一个有意义的方法是探索多个固有自由度，超越传统的空间模式和偏振，其中一个例子是使用路径作为自由度。在结构光的背景下，这相当于使用光的线性动量（方向），只需使用分束器即可轻松创建和控制。然而，与自旋和轨道角动量不同，多个线性动量状态意味着多个光束，放弃了单个明亮光束的便利性来控制，因此，资源随尺寸而提升。这有助于强调，挑战不仅是更多的自由度和维度，而是那些可以实际控制的维度。为了解决这个问题，利用SU(2)对称性的有效工具来设计近轴光束中的射线波对偶结构，其中，波型可以几何地耦合到一组焦散射线，从而打开比以前涡旋光束要控制的新自由度，例如，射线数、射线方向和位置等。此外，还可以将偏振控制引入到射线波耦合态中，以访问外来射线波矢量光束，如图2d所示，这使得经典纠缠能够进入多粒子和更高维的状态。到目前为止，所讨论的自由度是空间的，而时间也是光的自由度；两者的结合允许创建时空结构光脉冲。其中一个例子是将轨道角动量和“时间”（图2e）结合起来，用于时空涡旋。与之前轨道角动量矢量沿传播轴的涡旋光束不同，时空涡旋脉冲可以携带横向轨道角动量和时空域中的涡旋，有望探索新的反常自旋轨道物理效应。此外，进一步的挑战是通过同时结合更多自由度来构造光，例如，“飞行甜甜圈”脉冲是一种最新的技术，在时空中具有漂亮的电磁环形结构（图2f）。环形脉冲具有许多新的物理性质，包括时空极化不可分离态、环形和非极局域模以及复杂的拓扑和skyrmionic结构。因此，它仍然需要设计新形式的结构光，以实现更高维度空间中的光整形和更可控的自由度，从而获得新的物理效果和高级应用。

在当前的教程中，空间结构光被视为横向电磁波，因此，在近轴极限下，结构光束可以在横向平面（x，y）上用三维（z）来描述传播。在这种假设下，结构光场最常见的情况是光的矢量状态，通过给每个本征偏振分量（左或右圆偏振）分配一个唯一的复值场|ψ⟩=cosθ|u_R⟩|R⟩+sinθe^iφ|u_L⟩|L⟩，其中，u_R(x，y，z)和u_L(x，y，z)表示满足近轴波动方程的任意光束模式，例如，厄米高斯和拉盖尔高斯模式。通常使用狄拉克符号来表示场，因为傍轴波动方程与薛定谔方程具有相同的形式，适用于二维希尔伯特空间中的结构光族。众所周知，二维量子比特空间中的偏振态映射在庞加莱球上|ψ⟩=cosθ|R⟩+sinθe^iφ|L⟩ , 其中，|R⟩和|L⟩本征态对应于具有|σ= ±1⟩的光的自旋角动量。类似于二维空间模式：例如，光束的相反螺旋度轨道角动量状态由基向量跨越{|ℓ⟩, |−ℓ⟩}, 与偏振具有相同的量子位形成，可以映射到类庞加莱模球上，|ψ⟩=cosθ|ℓ⟩+sinθe^iφ|−ℓ⟩, 如b所示。这种庞加莱球拓扑结构在量子光学中也起着重要作用，因为它代表了量子信息的一个单位（量子比特）。矢量光束态可以描述为这两个空间的张量积，研究人员将两个自由度组合在一起形成新态|ψ_v⟩=|ψ_o⟩⊗|ψ_p⟩，现在跨越了四个态|ℓ, R〉， |ℓ, L〉， |–ℓ, R〉， |–ℓ, L〉，由张量积返回所有正交组合。在c中，展示了一个高阶庞加莱球体的例子。由于有两个自由度（空间模和偏振），有一个经典的2D不可分离态，其中，空间模不能从偏振自由度中分离出来（例如，作为单个空间模和单个琼斯矢量的乘积），这让人联想到量子力学中的二体纠缠态的形成，具有模仿量子粒子的经典自由度。重要的是，这个球体现在代表了光的总角动量、自旋角动量和轨道角动量。

光通信已经成为人类社会的一个组成部分，从早期的火警信标通信到拿破仑时代的第一次多级调制。在过去200年里，从1812年铜线通信的早期到今天的光纤网络，基于“有线”的解决方案一直占据着主导地位。光通信解决方案正迅速达到其容量极限，需要新的自由度来将信息封装到光中。在这里，结构光的许多自由度和维度变得突出起来。这种想法是为了利用光的空间自由度，即空分复用或模分复用，以获得更多的信道和每个信道的更多容量，近年来这种想法得到了发展。多路复用技术中最重要的是轨道角动量模式的使用，特别是与其他自由度相结合，如图3a所示。最近，这些自由度多路复用已经扩展到包括新型射线波结构光中的路径，以实现通信中的超高容量/速度和低误码率。

最近，结构光自由空间光通信重新兴起，因为其随距离呈二次而非指数衰减，有可能以无许可证的方式弥合数字鸿沟。随着轨道角动量的发展，从格拉斯哥大学走廊上的原理验证演示开始，许多开创性的演示很快就开始了，包括长达143公里的无通信链路以及在260米范围内使用26种模式实现每秒花瓣数据率和每秒80吉比特数据率。然而，远距离演示仍然存在局限性，因为分歧和湍流仍然是挑战。后来，认识到轨道角动量不一定是自由空间的理想状态，轨道角动量从轨道角动量扩展到包括全径向和角向拉盖尔-高斯基、贝塞尔光束和厄米-高斯模式以及矢量光。

基于光纤的通信传统上仅限于单模光纤，因此，只有一种结构简单的光模式（标量高斯模式）。传统的多模和少模光纤可以支持多种模式，甚至轨道角动量，但以模式耦合为代价。在第一模分复用中，使用10 m多模光纤的并将其线性偏振近似为40年后的真实矢量模，所有9个模组都在27 公里的光纤辅助多输入多输出处理。自那以后，这些传统光纤的三种空间模式的覆盖范围已超过6300 公里。直到最近，这些工具才被开发用于将光纤定制为模式，从而使结构光的范围成为可能。这导致了开创性的进展，包括1.6 Tbit/s轨道角动量通信沿定制环芯光纤传输，12个轨道角动量模式超过13 公里长的光纤，八个轨道角动量模式超过100 km和光纤中从标量模到矢量模的扩展。为了克服光纤中比自由空间中更为显著的强度损失，需要对结构光进行放大，现在在光纤系统中的中等波长波段上达到18个。

光学信息存储中的维数

除了多维数据传输外，自由度多路复用还体现在基于光纤的信息存储中，提高了速度/容量和安全性。历史上，信息记录和存储经历了一场技术变革。这条道路经历了从绘画、雕刻、划线和数字化到光盘的过程，在光盘上，使用光学激光束存储二进制数据，这也是数字信息技术的一个重要里程碑。

这种光学数据存储方法（从20世纪80年代的光盘，到现在的数字视频光盘和蓝光光盘）的特点是，数据被记录并限制在衍射受限的区域，因此，容量只能达到几十GB。纳米技术的革命性发展，特别是先进的纳米光子学以及利用结构光中的多自由度多路复用，为超高光学数据存储能力铺平了新的道路，其存储容量超过了吉字节。

纳米颗粒（如金纳米棒）在现代多维存储中发挥着重要作用，具有独特的优势，如偏振选择性和敏锐的光谱选择性，不断为光存储带来深刻的多维复用可能性。通过利用三个空间维度、偏振和波长实现5D光多路复用，取得了显著突破。此外，它在一个非常紧凑的卷中实现，具有相当于1.6 TB的超大信息密度通过利用金纳米棒的纵向表面等离子体共振特性，在单个圆盘中形成。现在，通过利用轨道角动量作为额外维度，这种多路传输数据存储方案扩展到了6D（图3b）。该技术基本上利用合成螺旋二向色性和高数值孔径透镜的偏振像差，在紧密聚焦的光束中实现轨道角动量相关的偏振椭圆，从而在纳米尺度上实现明确的轨道角动量灵敏度，用于信息存储。它突出了将结构光与结构物质联系起来，从大到小进行控制的令人兴奋的前景。

具有复用功能的基于超表面的纳米光子平台为光学全息技术提供了空间光调制，包括线性和非线性。随着这种技术的出现，基于自旋角动量的多路复用方法得到了完善，其中，两个独立的光场被编码到单个亚表面上且可以通过两个正交偏振态来提取。与各种复用技术所采取的行动类似，研究人员将视角从自旋角动量移动到轨道角动量，提出了一系列具有不同螺旋模指数的轨道角动量相关全息图像，作为一个里程碑，为更高维结构光复用打开了新的窗口。由于能够多路复用多达200个独立的轨道角动量通道，建议采用复振幅轨道角动量多路复用亚表面全息图（图3c），以实现轨道角动量相关的正交图像帧，同时重建两个全息视频。

光学周期太快，无法实现直接时间光整形，而波长带宽的直接调制缺乏复杂性（基于薄膜干涉和吸收）。因此，时间光整形简化为频率分量的空间光整形，频率分量通常由色散元件（通常是光栅）分隔路径，然后，通过倒数过程重新组合以构建所需的时间脉冲。从这个例子中可以推断出两个要点：结构光的空间创建和控制的重要性，甚至对于时间整形也是如此；工具箱中光的相互作用的重要性，这通常被用于检测。

在空间域中，可以控制每个偏振分量的振幅和相位，后者通过传播和几何相位来控制，这两者都可以使偏振特定。用于产生和控制结构光的传统实验技术和设备包括干涉阵列，其中，干涉仪的每个臂独立操纵不同自由度，以进行后续的同轴复合。在最简单的版本中，这种方法一次只允许生成一个单模。早期的创造工具包括通过折射或衍射的偏振独立传播阶段。虽然折射解决方案最近已不受欢迎，但自由形式光学的最新发展为这一方向提供了新的推动力，甚至可以通过直接激光写入对晶圆上的微型元件进行前所未有的控制。即使是简单的折射元件也可以为矢量光量身定做，如玻璃锥和GRIN透镜所示，这是大多数光学实验室中常见的元件且清楚地表明定制的光并不总是需要定制的工具。

20世纪90年代初，衍射光学元件的活动激增，通过干涉和衍射而不是反射和折射来定制光，但这些大多局限于标量结构光。这已经被写入动态设备（如液晶空间光调制器和数字微镜设备）的计算机生成全息图所取代，允许对每个偏振组件独立进行振幅和相位控制。这些可重写的解决方案用于创建具有奇异偏振和空间分布的按需矢量模式，推动了世界范围内的结构光研究。

几何相位被用于复杂的空间结构光，定义为偏振敏感，允许创建标量和矢量光场。也许最著名的例子是使用所谓的q板来控制共轭对称矢量涡旋光束，这已经有了无数的应用。液晶技术及其几何形状已得到显著扩展，包括通过几何相位控制振幅裁剪实现的径向和方位控制以及基于几何相位的多光谱空间光调制器。最近向可见光亚波长结构的转变允许了依赖偏振的传播和使用亚表面的几何相位控制，为开发所有相位铺平了道路。关键是能够创造精确的纳米结构物质来控制和创造结构光。其中一个例子是用于任意自旋轨道转换的所谓J板和用于3D任意转换的TAM板。以轨道角动量为例，该工具箱的最新技术包括来自单个设备的多达200个同步模式，其中模式数最多为600（使用相位）和10000（使用振幅），矢量模式下的轨道角动量最多为100。这些限制能否进一步扩大？随着模态数的增加，对模态纯度有什么影响？如何才能达到光通信所需的数千种高纯度模式？这些问题仍然是开放和具有挑战性的。

一个很有希望的方法是在激光腔内执行创建步骤，而不是调制外部场，这样可以提高纯度、效率和紧凑性。源头解决方案密切反映了外部塑造工具和演变。激光发明后不久的早期工作使用振幅滤波来区分模式，例如，分别用于厄米-高斯模式和拉盖尔-高斯模式的线和孔。衍射光学元件看到了任意复杂标量光的纯相位解，后来扩展到使用腔内空间光调制器的动态控制。正是对激光轨道角动量模式的渴望推动了现代激光的发展。直到最近，才看到几何相位和自旋轨道转换用于激光模式控制以及最近基于亚表面的激光。片上器件通常在微结构的几何形状和拓扑结构方面取得了成功，产生了鲁棒的拓扑稳定光源、紧凑的轨道角动量源和自旋控制轨道角动量激光器。通过利用简并腔直接从光源为复杂形式的多模光产生数十万个相干和非相干的空间模式之和，可以超过这些数量。在这里，令人兴奋的途径不仅是激光作为复杂结构光的光源，而且激光本身是一个复杂问题的解决者，答案就在于输出光的结构本身。

尽管取得了令人瞩目的进展，但大多数解决方案只能调整光的二维二分矢量涡旋状态。虽然最近的TAM板技术已将其扩展到三维，但很难控制更高维度的状态并超越目前的两个自由度（空间模式和偏振）。最近获得高维结构光的一种方法是将自由度扩展到包括路径在内，这是量子光学中经常利用的自由度，但在经典结构光的背景下尚未充分探索。这已经在激光器的外部和内部完成。结合内部控制和外部控制，可以看到八维经典结构光中四个自由度的产生和控制，其经典等效于量子三方GHz态。所有技术的最终目的是完全控制光的多个自由度进入设计的高维高纯度状态，从而实现按需生成量子模拟模式。

结构光的检测通常通过模式滤波器或模式映射作为创建过程的倒数执行。模态滤波器可以是简单的畸变装置，例如，三角形光阑或倾斜透镜（两者都广泛用于轨道角动量）且很容易扩展到其他模态家族。其想法是识别改变后的强度图并推断原始强度图，这一过程可以通过机器学习方法进一步改进。更复杂的方法利用光学内积对任何标量或矢量结构光场进行定量测量和重建。所谓的“匹配滤波器”源于过去的模式识别，它只是创建阶段的共轭，利用了创建步骤的互易性：如果一个已知波束X可以被塑造成另一个已知的波束Y，那么通过互易性如果Y是传入的未知波束，那么只有这个解决方案才能映射回X并导致检测。这些方法是滤波器，因为在全信号情况下，一次只能检测到许多输入模式中的一种，或者信号被分割成多个通道，以降低信噪比。许多基于动态相位和几何相位的紧凑型滤波器已经实现并形成了光通信中许多解复用解决方案的核心。另一方面，模式映射器原则上是确定性的，将一种模式转换为另一种模式。因此，它们可以被视为结构光的无损创造者和无损探测器。必须从第一原理中找到解决方案，这里的任务非常具有挑战性，因为对于任意结构光来说，没有直接的方法。相反，已经找到了轨道角动量模、贝塞尔模、径向拉盖尔-高斯模、一般拉盖尔高斯模、厄米-高斯模式、多极相位和矢量轨道角动量模式的特定解。最近的工作利用了这种形式的变换来控制结构光，包括轨道角动量经典和高维量子门的倍增和分裂，借用了光纤中光子灯的概念。目前，还没有用于创建和检测结构光的确定性通用模式转换器，这是必须按需定制光的应用程序中的一个主要障碍。

除了概述的经典进展外，结构光的量子态也同样得到了巨大的发展和应用。许多量子光学实验中的主要任务是自发参量下变频，如图4所示，其中一个以蓝色显示的高能光子被下变频，以产生两个以红色显示的低能纠缠光子。晶体的相位匹配条件确保了纠缠，自然地以线性动量表示。由于纠缠不随基的变化而变化，因此可以将基改变为正交结构光模式的基。图4显示了两个光子中的一个：光子处于许多空间模式的叠加中，每个模式具有一些复杂权重。这种模式的数目决定了单光子态的维数。然后，两个光子状态的张量积返回双光子纠缠态。例如，在轨道角动量基础上，（光子A和B的）最终双光子状态写为|ψ〉_AB = | 0〉|0〉 + |1〉|−1〉 + |−1〉|1〉 + ···, 每个单光子叠加为|ψ〉_A = | 0〉 + |1〉 + |−1〉 + ··· 对于光子A，以及光子B，维度取决于基础的选择、晶体参数和光学传输系统的模式带宽（可以通过多少空间模式），尤其是检测系统。

由于量子中的“创建”步骤是“检测”，因此，可以通过特定基础的后选择来定制所需的量子状态，从而导致拉盖尔-高斯、厄米-高斯和贝塞尔模式的纠缠。不幸的是，大多数量子探测工具包都是基于线性光学元件和滤光片，使得过程具有概率性，从而抵消了高维空间的好处。对于量子光，每个光子只能检测一次，而累积统计信息的时间又增加了挑战，通常需要多次测量才能重建量子状态。在选定状态后，真正的“检测”是量化所做的事情。量子态层析成像是二维和高维空间的标准工具，但在尺寸上不利于缩放。纠缠目击者速度更快，但不是定量的，许多目击者无法在任意维度空间中工作，或者依赖于基础，推动了现代工具包的发展，这种工具包快速、定量，但还有许多工作要做。

第一次结构光量子纠缠实验利用轨道角动量来模拟多量子比特空间的自旋角动量。从那时起，结构光就被用于使用空间模式进行量子密钥分配的高维访问，首先是五维纠缠态，然后是七维单光子。利用轨道角动量以外的空间模式，已经证明了与贝塞尔光束的四维自愈纠缠，Hong Ou Mandel干涉对高维空间态的工程以及高维Bell违反。目前的技术水平包括一个自由度的100维状态、两个自由度纠缠的10个光子、三个具有轨道角动量的光子和混合态、与轨道角动量量子比特的纠缠交换、具有路径的三维隐形传态和具有轨道角动能的十维隐形传态以及十一维的量子秘密共享。继经典自旋轨道量子态之后，自其开创性的引入以来，混合自旋轨道量子状态已变得流行起来并已用于量子信息处理和通信。目前的挑战不在于创建所需的维度，而在于通过通道完整地传输维度，例如，通过自由空间或光纤进行安全通信。与非结构化光相比，在自由空间和光纤网络的组合中，非结构化光已达到4600公里，而在自由空间中，结构化量子光的衰减距离约为300米，在光纤中则为低公里。面临的挑战是为此类信道找到量子和经典光的强健状态或有效的纠错方法，以便高维经典和量子通信接近其非结构化对应物的相同范围。

一方面，进一步提高多复用自由度的方法总是需求很高。另一方面，需要考虑许多实际因素，如技术的稳健性、设备的复杂性和成本。

更高维度的可能性

研究人员认为有很大的潜力进一步推动结构光的极限。这是基于这样一个事实，即几个广受欢迎的维度可能会为多路复用铺平新的道路。例如，时间很少被用作上述技术的独立自由度。最近的进展突出了时空结构光的某些新形式，如时空涡旋、具有强时空不可分割性的光脉冲，甚至时空偏振不可分割，这表明时间维度可以作为另一个强大的自由度来使用，以利于当前的技术。此外，结构光中光线-波耦合的引入表明，光学模式可以用波衍射和几何光线来描述。通过应用射线波对偶性，可以在近轴区域的亚射线空间中携带波型，其光控制类似于高维量子态。反过来，从量子力学借来的工具也显示出挖掘光的隐藏自由度的巨大潜力。此外，从线性状态到非线性相互作用的光整形是培育更高维度控制的一种热门方法，在利用位于彭加莱球体内的偏振状态（去偏振状态）方面也存在着有趣的可能性。这些现有部分显示出巨大的潜力，可以作为进一步复用的额外自由度，值得进一步探讨。

最近出现的光的“射线-波二象性”也是一种很有希望的扩展维度的效果。其理念是，精心制作的空间模式可以看起来既像波又像射线，连接波光学和几何光学。在波图中，光束是相干激光模式，因此，可以具有典型的结构光特征。另一方面，射线图像打开了要控制的新自由度，例如，射线的数量、方向和位置等，从而扩展了纯波光学所没有的维度。

信息精度需要克服各种光学像差

常见光学组件，如成像/聚焦透镜、分束器和受保护的银镜，可能会导致矢量（偏振和相位）光学像差以及外部湍流等其他问题。像差校正对于光照和信号检测都至关重要，因为诱导相位和偏振误差可能会导致图像对比度、轨道角动量相位分布（纯度）和矢量信息的正确性等信息的有害退化。它们对于光多路复用至关重要，例如，直接轨道角动量和/或偏振多路复用。用于相位和偏振误差校正的新型自适应光学技术（图5a）有很大潜力为此类问题提供解决方案。虽然自适应光学技术已用于从航空航天到显微镜等各种光学系统的相位畸变动态反馈校正，例如，轨道角动量通信系统，但除了电子数字后处理等其他替代技术外，新推出了包含偏振控制的反馈校正策略。因此，先进的矢量自适应光学技术可以进一步帮助结构光的应用克服相位和偏振畸变。此外，考虑到自适应光学技术的独立可控特性，模式的概念也具有作为额外自由度的巨大潜力。这一前景跨越了传统的相位和偏振模式到全矢量模式。

开发新型光学器件的超维操纵能力

如前所述，最近通过光纤、超表面、空间光调制器和数字微镜装置等中心组件采用了高维结构光多路复用。尽管这些设备已成功应用于各种场景，但具有额外调制尺寸、稳健性能、竞争性质量和尺寸或精确动态调制范围的新设备一直需求旺盛。通过直接激光写入技术实现的先进液晶设备应该是一种可能。直接激光写入是一种强大的非线性制造技术，已被用于生成新型3D、可重构液晶模板，用于成本效益高、灵活性强的结构光场发生器。最近[图5b]，原位直接激光写入使聚合物结构能够直接在电寻址液晶器件内制造，以锁定依赖电压的拓扑不连续状态。使用具有拓扑像素的设备生成的这些不连续状态可能提供新的多路复用自由度。在进行光束复用（图5c）时，基于超表面创建结构光的先进技术也吸引了人们的关注，因为它们具有高效等功能。

新形式的光

通过参考不同学科的模型，如拓扑学、粒子物理学和凝聚态物质，探索更高维的结构光也是一个热门话题。在这里，研究人员指出一个与光通信相关的新方向，这可能会进一步推动多路复用的极限。Skyrmion是一种准粒子，具有拓扑自旋纹理，起源于粒子物理和磁性材料，具有复杂的刺猬状纹理（图6中的配置），最近被用作定制多维结构光的强大工具。从几何上讲，Skyrmion可以简单地理解为限制在局部空间内的拓扑稳定的三维矢量场。构建光学天空的主要挑战是在非横向光场中找到三维矢量分量，这可以通过不同的方法来克服，例如：（1）等离子体天空：构建矢量纹理的第一种方法是使用表面等离子体激元上的倏逝波电场。通过在金属膜上雕刻结构化光栅作为一个受限区域，表面等离子体激元场可以形成满足skyrmionic结构的几何驻波。除电场外，表面等离子体激元场中的光学自旋角动量场也被证明具有构造Skyrmionic织构的能力。设计具有鲁棒几何和拓扑控制的更一般的高阶Skyrmion是一个新兴的方向。（2）自由空间Skyrmion：传统的连续波波束被视为纯横波，其中，电磁矢量总是二维平面内的，不能用于构造Skyrmions。最近，研究人员解决了一些具有三维矢量场的新形式的光学模式，可以利用这些模式来定制Skyrmionic纹理，例如，在超环面结构脉冲中构建Skyrmion的三维电磁矢量，在紧密聚焦结构波中的三维光学自旋角动量场以及矢量光束的三维Stokes矢量。图6显示了由复杂矢量光束构成的多样化斯托克斯矢量Skyrmion，其中，每个偏振状态对应于某个三维角向的斯托克斯矢量（基于庞加莱球体），偏振模式可以定制以满足多样化Skyrmion。斯托克斯 Skyrmion的拓扑保护特性和鲁棒性已得到证明。

近年来，利用新型光学矢量场寻找具有更多拓扑结构的光学Skyrmion是一个热门话题。此类类粒子拓扑光场有望为高级应用提供额外的可扩展拓扑控制，拓宽了现代基础物理和应用物理的前沿。光学Skyrmion结构最吸引人的潜力包括：它的超小深亚波长结构可以升级超分辨率成像和显微镜，重要的是，它的宽范围可调谐和多样化拓扑结构，在更高维的光拓扑状态控制方面具有巨大潜力且有巨大的潜力为进一步突破光编码、多路复用、通信和加密的限制提供新的见解。

用于创建经典结构光子的非线性光学有着悠久的历史，可以追溯到25年前关于轨道角动量的开创性工作。但直到最近，随着线性光学解决方案达到极限，该领域才开始腾飞。首先，在传统的结构从一个波长转换到另一个波长之后，该工具包迅速发展成为结构光模态控制。今天，通过多个非线性过程完全控制光的自由度是可能的。

传统上，非线性光学的焦点一直是波长转换，效率低下，把光的问题仅仅归结为“多少”而不是“它看起来像什么”。空间结构的引入带来了无数的可能性并对非线性过程产生了新的影响。例如，对于新的奇异形式的结构光，二次谐波可能由两种不同空间模式的乘积组成，而不是在线性光学中看到的总和。路径自由度也可用于混合晶体内部方向的结构。有趣的是，耦合不仅存在于光和物质之间，还存在于场本身的结构差异之间，特别是在特定家族中。例如，轨道角动量拉盖尔-高斯模式的方位角相位的“解扭曲”反过来又改变了径向指数，控制这种相互作用的规则直到最近才被揭示且证明对于任何阶次的波混合过程都是正确的。厄米-高斯模、因斯-高斯模和贝塞尔-高斯模也观察到了类似的过程，证实了轨道角动量守恒并探索了这些族的选择规则。

在矢量范围内，矢量结构光束的频率转换的特点是产生非平凡的标量输出以及不同于输入的矢量输出。在这个意义上，非均匀偏振状态被提出作为非线性过程的控制参数。最近的研究表明，人们可以在保持偏振结构的同时，改变波长，从而实现矢量波长的可靠控制，从而在频率上转换矢量光束。

最近的一个发展是利用结构物质对结构光进行非线性控制。这包括通过光子晶体中的三维周期轮询实现多波长相位匹配以及将波长转换与波前控制和非线性金属传感相结合的非线性亚表面。超表面和常规晶体中的自旋轨道相互作用同样通过非线性相互作用的棱镜被投射到一种新的光中。这些令人兴奋的进展推动了新的应用，包括非线性全息、图像编码、光学存储器、成像和显微镜等。

当涉及到多个光子时，量子结构光的计数率极低，而用于分析高维状态的工具包在很大程度上还处于初级阶段。更多自由度的使用有可能开辟新的途径，但需要更多的工作才能实际实现。对噪声的鲁棒性问题仍然是一个正在深入研究的课题，而以空间模式形式存储量子信息才刚刚开始出现。一个严重的限制是，大多数结构光量子实验都是基于状态的后选择，而任意维度的真正量子状态工程尚未得到证明，但通过利用结构模式的路径可能会更接近。传输纠缠和工程量子态的一个普遍工具是分束器，用于在独立光子之间建立纠缠，这是量子中继器的核心。虽然这种线性光学解决方案是二维量子态的理想选择，但当状态为高维时，会导致显著的损耗和纠缠退化。例如，如果没有辅助光子，如图4所示的高维态的纠缠交换将导致混合态（而不是纯态），并降低成像对比度。解决方案是增加自发参量下变频源的数量，但由于自发参量下变频器的效率非常低，这条路线的长期成功前景不大。另一种令人兴奋的新兴方法是使用非线性光学来创建、控制和检测高维状态。为此，经典泵浦整形控制纠缠的最新进展正在变得越来越广泛且可能是一种简单的未来资源。这种方法基于纠缠源处的非线性光学。

替代传统线性解决方案的非线性检测方案具有巨大的前景且可以为任意经典结构光制作按需探测器。这里的想法是利用“已知”输入光束和“已知”转换光束的结构，来推断“未知光束。这已经显示出使用上转换到检测结构模式而不需要基特定探测器，并用于图像增强。非线性探测器不仅可以通过泵浦光束进行重写，而且还可以将检测到的模式转换到更方便的波长窗口，例如，上转换红外光，以便在可见光中检测到。在量子领域，这些方法已经表明，它们可以克服量子隐形传态和纠缠交换中的辅助光子限制，并扩展新的维度控制。

非线性光学也可以解决经典结构光中的一个紧迫问题：所有上述解决方案都处于低功率水平。放大低功率状态是一个很有希望的前景，在薄盘、光纤和大块晶体方面已经有了发展，利用最新的超快激光模拟放大技术，以偏振不敏感的方式演示矢量光参量放大，达到1000倍放大因数。结构人工物质以具有非线性响应的超材料的形式与结构光的产生、控制和检测相结合，必将为高维经典和量子态光提供高效紧凑的解决方案。

结构光的爆炸性发展可以追溯到1992年的开创性工作，现在庆祝30年的进步。人们不是在减速，而是在经历结构光的复兴，这是由关于光本身性质的新颖概念所推动的，这些概念将我们带到轨道角动量之外并由尖端的经典和量子态工具包所推动。尽管自由度和维度的结合需要更多的工作，但未来肯定是从实验室向基于人们新发现的可控自由度和维的新的实际应用的过渡，从科学到应用都有很大的影响。

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