导读
一束光可以承载多少维度的信息？
对于携带轨道角动量（OAM）的涡旋光束而言，其螺旋相位结构提供了区别于传统强度、波长等参数的模式自由度，使得OAM成为光通信、信息复用和全息加密领域的重要研究方向。不同OAM模式可以作为独立信息通道，通过模式匹配实现目标信息的选择性编码与重建。
近年来，随着信息容量和加密安全需求的持续提升，仅依赖OAM模式或单一相位维度，能够调用的光场自由度仍然有限。如何进一步把振幅、偏振与拓扑相位纳入统一的可编程光场调控框架，并使多个物理维度协同参与信息编码与解码，成OAM全息技术进一步拓展的重要方向。
一项发表于《Laser & Photonics Reviews》的研究，提出一种具有空间变偏振特性的涡旋结构光场，实现对涡旋光束相位、振幅和偏振的协同调控。研究还构建了一套具有偏振切换功能的OAM全息加密系统，支持图像信息的可控重构，显著提升系统的安全性与信道容量。
多焦点合成丨实现局部振幅调控
研究首先利用多焦点合成构建涡旋光场。在空间频谱面沿目标轨迹布置多个焦点，并为其赋予相应的涡旋相位，通过调整焦点的位置、数量和分布，可获得不同半径、拓扑荷及几何形态的结构光场。
为了将包含振幅与相位信息的目标光场编码到相位型SLM上，实验将目标复振幅分解为两个纯相位分量，再以棋盘格方式交错编码。SLM加载这幅纯相位全息图，调制后的光束经衍射及后续光学系统生成目标复光场，从而实现振幅与相位的联合调控。
多焦点合成与复振幅编码 / 图源：Rui Liu et al., Laser & Photonics Reviews, 2025, Fig. 1
实验进一步表明，改变局部区域参与合成的焦点数量，可以调节对应区域的能量分布，同时保持涡旋光的拓扑特性。
局部振幅调控与能量分布优化 / 图源：Rui Liu et al., Laser & Photonics Reviews, 2025, Fig. 2
空间变偏振调控丨保留涡旋相位特征
研究团队设计两组涡旋相位相同、局部振幅不同的光场，并分别叠加位移相位，使输出光束在空间上分离。两组全息图经棋盘格复用后加载至SLM，局部焦点数控制各区域振幅，复振幅编码平衡两组光场的整体振幅。
实验采用改进型Mach–Zehnder干涉光路，以532 nm线偏振激光作为光源。SLM调制后的光束经偏振片调整为45°线偏振，再由偏振分束器分成水平与垂直分量。两条干涉臂分别用孔径选取对应的位移光束，随后重新合束。在共同涡旋相位下，两组正交分量的局部振幅关系决定合成光场的线偏振方向，检偏器与CCD相机用于检测各区域的偏振分布。
空间变偏振涡旋光场的生成光路 / 图源：Rui Liu et al., Laser & Photonics Reviews, 2025, Fig. 3
实验首先将圆环光场划分为四个区域，交替设置水平与垂直线偏振；随后在六个区域中配置45°、135°和垂直线偏振。改变检偏器方向后，各区域的透射光强随其偏振方向变化，测得的光强分布与设计相符。
干涉图样显示，局部偏振变化后，光场仍保留涡旋相位特征，可继续用于OAM模式匹配与解码。论文对上述两类光场计算的干涉条纹可见度分别为0.9967和0.9962。
局部偏振调控结果与干涉分析 / 图源：Rui Liu et al., Laser & Photonics Reviews, 2025, Fig. 4
偏振与OAM模式丨共同决定重建图像
实验将偏振选择与OAM模式匹配结合，为图像重建增加偏振解码条件。编码时，目标图像经离散采样和相位恢复，得到采样全息图，再叠加由拓扑荷l、半径参数R及位移相位确定的编码。不同目标图像的编码图案复用为OAM选择性全息图，由后端第二台SLM（SLM2）加载；检偏器选择偏振通道，匹配的入射模式用于重建目标。
偏振选择性OAM全息加密原理 / 图源：Rui Liu et al., Laser & Photonics Reviews, 2025, Fig. 5
在整个系统中，前端SLM负责复杂结构光场构建，后端SLM2负责OAM选择性解码。实验表明，目标图像的重建可由偏振通道与OAM模式共同控制，偏振与OAM复用有望提升系统的信息容量与加密安全性，光通信和光存储是潜在应用方向。
偏振选择性OAM全息加密的仿真与实验结果 / 图源：Rui Liu et al., Laser & Photonics Reviews, 2025, Fig. 6
实验器件丨HDSLM64R
在光场生成端，UPOLabs HDSLM64R负责加载纯相位全息图并完成实际波前调制，使多焦点分布与复振幅编码进入物理光学系统接受验证。研究人员通过更新相位图调整光场形状和局部振幅，再配合偏振器件及干涉光路完成空间变偏振调控。可编程相位加载由此衔接了全息设计与真实光场，为OAM全息加密和复杂光场研究提供可调整的实验工具。
论文专门探讨了SLM路线的优势。相较于加工完成后结构相对固定、制备成本较高的超表面方案，SLM更便于快速、灵活地重新编码目标图像，在OAM全息加密中具有明显的可重构性。
HDSLM64R 产品参数
结语
本研究提出了基于多焦点合成的空间变偏振涡旋光场调控方法，将相位、振幅与偏振协同调控用于OAM全息加密，实现了光场形态、拓扑荷、能量分布和局部偏振的灵活设计。研究扩展了传统OAM全息编码的自由度，验证了通过切换偏振通道实现可控图像重建的可行性，为提升信息容量与加密安全性提供了新的实现思路，并展示了其在光通信、光存储和光学加密领域的应用潜力。
本文内容依据论文《Spatially Varying Polarization-Structured Optical Fields via Multi-Focus Synthesis for Multidimensional Image Encryption》公开发表信息整理。文中涉及UPOLabs产品的描述仅限于论文公开披露的实验平台配置，不代表论文作者对相关产品进行性能排名或商业推荐。原文地址：https://doi.org/10.1002/lpor.202501944