基于轨道角动量自由度在空间频域中的可选择特性

将光的轨道角动量自由度应用到全息领域，证实了轨道角动量全息；实现了高维轨道角动量复用全息技术，获得了高安全的全息加密和超高容量全息信息系统。

1、轨道角动量自由度在全息中的引入

如图1所示，当全息图中没有携带轨道角动量的涡旋（k_g）时，出射光的轨道角动量态（k_out）保留了入射光中的轨道角动量态(k_in). 当入射光中的轨道角动量分别为-2， -1， 1， 2 时，出射光的轨道角动量也是-2， -1， 1， 2。这些拓扑荷非零的轨道角动量模式的强度分布均为中空的面包圈形式。

如图2所示，当全息图中携带轨道角动量的涡旋（k_g）时，出射光的轨道角动量态（k_out）是入射光中的轨道角动量态(k_in)和全息图中携带轨道角动量的涡旋（k_g）的叠加，即为：k_out = k_in+ k_g. 当k_g中的轨道角动量为-1，入射光中的轨道角动量分别为-2， -1，1， 2 时，出射光的轨道角动量也是-3， -2， 0， 1。这时，只有出射光的轨道角动量为0的情况对于的强度分布为强度分布相对集中的高斯点分布。再用格点过滤之后，只有用轨道角动量为1的光束入射才可以得到全息图中隐含的图像。这样，轨道角动量自由度在全息中成为信息的载体，实现了轨道角动量全息。图3展示了没有携带轨道角动量的全息图（OAM-preserved hologram ）和携带轨道角动量的全息图（OAM-selected hologram ）的制作过程。

2、轨道角动量复用全息.

将多个轨道角动量选择全息图（OAM-selective hologram）复用在一起，可实现轨道角动量复用全息技术。此时，用不同的OAM态入射复用全息图时，可获得不同的全息图样。如图3所示。

3、基于轨道角动量复用全息的全息加密技术.

首先选用10个OAM模式作为信息的载体。在将十个OAM模式和十个数字对应的全息图数字一一组合在一起，得到十个OAM-selected holograms, 如图5所示。最后将这十个OAM-selected holograms复用在一起即为OAM密文全息图。

将明文转化成数字组，再将数字组中的每一个数字和一个OAM模式对应起来，数字组对应的OAM模式组即为解密的秘钥。图6展示了加密和解密的实例。密文是“Please, receive”和“Thank you, wife”。首先将密文转成摩斯密码“RSE, RX”和“TU, XYL”。之后转化成数字组“16 19 05 18 24” 和“20 21 24 25 12”。再根据图5将 数字组转化成OAM模式组。最后用OAM模式以此入射到OAM密文全息图上，获得相应的全息图像数字，得到明文。

图6

参考文献：

X. Fang, H. Ren, and M. Gu, "Orbital angular momentum holography for high-security encryption," Nat. Photonics 14(2), 102–108 (2020).