光在人类文明发展史上具有举足轻重的地位。人类追光的过程就像一部惊心动魄的电视连续剧。《圣经》中“神说，要有光，就有了光”作为开场白开启了这部电视剧。西方古希腊哲学家毕达哥拉斯等人认为光是像水流一样的客观实在;同时期的东方战国思想家墨子提出了光学八条（《墨经》），论述了光影关系。剧情不温不火的到了17世纪，英国物理学家牛顿提出了光是一个微小粒子的学说，并成功地解释了光学中的折射和反射现象。然而以惠更斯为首的另一派则认为光是一种波，这样可以很好地解释干涉、衍射等现象。两派的斗争愈演愈烈，到了19世纪，随着泊松亮斑等一系列实验进展几乎将微粒学派赶尽杀绝，而麦克斯韦优美的电磁理论和电磁波的发现则将波动派推上了神坛。然而20世纪初远方飘着的两朵乌云使剧情得到了迅速的翻转;年过四十的普朗克通过引用量子概念吹散了其中的一朵（紫外灾难），这使得粒子派奇迹般的苏醒。随后重量级的爱因斯坦加入了这个阵营:其光子概念精准地解释了光电效应，并奠定了激光的辐射理论基础，粒子派又似乎夺回了他们的阵地。后来量子力学的发展提出了光既是一种粒子又是一种波的概念，是一个叠加的状态，这完美地协调了两个阵营。随着高性能激光器的出现和应用，光的剧情开始发生了转向:更多的人开始关注激光的应用，力求通过操控激光来提高工业生产力，造福人类社会。
　　20世纪60年代激光器的发现，掀起了一场光革命。具有较好单色性和相干性的激光在各个领域大显身手，诸如高速光通信、生物医学、高分辨显示、精密测量等。同时激光也成为用来研究光与物质的相互作用的重要工具。此外，光场的不同自由度也引起了人们的关注，比如光的偏振、振幅、频率、线动量、角动量等自由度。操控光场的不同自由度可以使其应用于精密测量、传感、计算、成像、和通信中。比如在基于激光的光通信中，通常采用偏振模复用、波分复用等方式增加信道容量。
　　近年来，带有螺旋位相结构的轨道角动量（OAM）光场吸引了众多研究者的关注。最初的研究集中在应用领域，科学家首先发现利用涡旋状的光场可以驱动微小粒子，从而OAM光场可以作为一个光镊对粒子进行操控。之后的研究发现OAM光还可以测量多普勒旋转的频移，这使得OAM光在测量领域得到了重视。在光通信领域中，通过复用多个OAM模式可以实现高达THz量级的高速光通信。在基础物理层面，由于OAM光在理论上可以携带无穷维的拓扑荷数，这可以构成一个完备的Hilbert空间，这为模拟量子态提供了一个天然的平台。此外，在量子光学中，可以利用OAM自由度构建单体高维叠加态、两体两维纠缠态、两体高维纠缠态、以及多体高维纠缠等，这些资源一方面可以用来研究非局域性、态克隆等基础物理，另一方面还可以作为量子保密通信、精密测量、量子计算等应用的重要资源。本文基于空间结构光场的调控技术，开展了一系列工作，包括:
　　1.光场的经典调控:通过衍射光学产生高保真度的任意空间结构场
　　重点研究了产生带有拓扑结构的OAM光、OAM多模叠加态、拉盖尔-高斯(LG)的径向和角向双自由度多模叠加态、平顶光、以及任意指数光(exp(-ar2)）。这里基本的原理是通过衍射光学，计算出所需要的全息位相图，通过将此位相加载到空间光调制器(SLM)中实现对入射光场的调制。对于多模叠加光场，我们升级了传统的振幅调制编码技术，通过保证不同模式光束的尺寸一致性，得到了17维度空间的高保真度任意叠加态。进一步通过操控LG光场的角向和径向自由度，产生了10维度空间的高质量叠加场。实验中还研究了平顶光、指数光的产生等。高保真度地操控这些光场可以使其更好地应用到量子光学和非线性光学中。
　　2.光场的经典调控:经典模拟器
　　类比是用一个简单的物理体系模拟另一个复杂的物理体系，类比是理解抽象自然规律的重要方式。量子世界的一些特殊现象可以从经典中得到类比，比如描述微观粒子运动的薛定谔方程其形式来源于描述光传输的波动方程。这一部分我们采用OAM光对量子光学的相干态、猫态、高维纠缠态进行了经典模拟，发现了一些有趣的现象。对于相干态和猫态:经典态的光强分布I(x，y)(■)和量子态的准概率分布W(x，p)（相空间）在数学上具有高度的相似性，包括态的平移、旋转、干涉和压缩。对于纠缠态:利用OAM光场两个自由度可以组成不可分割态，从而可以模拟量子世界中的纠缠。纠缠态的模拟又叫经典纠缠，数学上，经典纠缠和量子纠缠是完全一致的。物理上，经典纠缠没有量子纠缠所独有的非局域性。利用空间光场的角向和径向自由度，我们将经典纠缠的维度从二维推广到了高维。
　　3.光场的量子调控:两体高维最大纠缠态
　　两体高维纠缠具有更强的非局域性违背、更高的态克隆阈值、以及更大的态信息容量。产生两体高维纠缠态是量子信息研究中的一个热点。传统体系多采用模式后选择的方式制备高维最大纠缠态。我们提出通过改变泵浦(pump)光的空间结构来调控两体高维最大纠缠态的方案:开创性地采用OAM叠加态作为泵浦光制备高亮度的三维最大纠缠源。通过进一步修改pump光的光束形状，可以将维度推广到五维，随后的实验研究充分证实了方案的正确性。理论和实验均表明存在一个最优化的光束使得两体高维纠缠的纠缠维度（施密特数）最大。新的优化光束相比于高斯泵浦，纠缠维度有了一个较大的提升。
　　4.光场的非线性调控:高保真度频率变换器
　　频率变换是一个可以将激光或者光子的频率从一个波长变为另一个波长的技术。通过频率变换可以连接两个不同的物理体系。例如在基于原子存储器的量子通信中，光纤的通信窗口在红外波段，然而原子存储器大多数工作在可见波段，频率变换器可以作为一个相干桥梁连接两个系统。频率变换器有两个重要的指标:转换效率和态的保真度。通过腔共振增强技术，我们实现了不同OAM本征态的高效率频率转换。通过光场调控技术，我们在一个二阶非线性和频过程中实现了一个三维和五维OAM-qudit态的高保真度转换。这里pump光采用了平顶形状的光斑，在不牺牲模式转换效率的情况下，不同模式的转换效率得到了很好的平衡，这为高维的量子通信奠定了基础。
　　本论文的创新点和意义
　　本论文的最大创新是灵活地运用光场调控技术对经典光场和量子光场进行了线性和非线性调控。本课题瞄准国际量子信息前沿，立足于解决技术瓶颈，想法新颖、创新点十足、物理内涵丰富、技术挑战大。此课题不但具有重要的学术意义，而且具有重要的应用价值。主要创新点和意义包括:
　　1.用高阶空间结构光场模拟特殊量子态
　　在国际上首次提出采用多模叠加的OAM光场模拟量子光学中的相干态、猫态、两体高维纠缠态等。主要创新点是利用了物理中的表象变换:用光场的模式空间来模拟光子数空间;用自由度的不可分割性模拟两体纠缠的空间非局域性;利用空间模式光场模拟量子态可以将抽象的量子世界形象化，有助于深入理解量子世界。
　　2.产生目前国际上最高亮度的、无后向选择的三维OAM纠缠源
　　创造性地采用泵浦光调控技术制备无后向选择的高维最大纠缠态。在传统的高斯泵浦参量过程中，下转换光场的OAM谱分布随着拓扑荷数的增加而递减，因此在构建最大纠缠态的过程中需要进行后向模式衰减，这大大降低了纠缠光子产生率。我们采用一束|-2>+|0>+|2>的OAM叠加光场作为泵浦光，在基于参量下转换过程中实现了无后向选择的三维最大纠缠源，由于泵浦光是在较强聚条件下进行的，光子的亮度可以非常高。此外这种方案为产生高质量的三维Bell态提供了一种新思路，这一原创性的工作受到了国际同行较大关注和引用。
　　3:首次在国际上提出通过改变泵浦光束的形状提高纠缠维度
　　目前提高高维纠缠纠缠维度的方案有三个:增加泵浦光束的束腰、调节晶体位相匹配条件、以及修改非线性晶体的空间结构，这些方案各有优缺。我们提出了一种新型的方案:不牺牲光子数的情况下，通过改变泵浦光的形状来提高纠缠维度，理论和实验均表明采用优化后的光束作为泵浦，纠缠维度得到了近40％的提升（相比于高斯光泵浦）。此外我们采用此方案将最大纠缠态的维度扩展到了五维。
　　4:提出了一种新型模式无关高维频率转换器
　　通过光场调控技术，解决了二阶频率变换中转换效率严重依赖空间模式的技术瓶颈。传统的三波混频中，若经典基频光的空间模式是高斯光，则OAM信号光的转换效率严重依赖空间模式。我们创造性地采用平顶光作为泵浦光进行非线性频率变换，理论上得到了一个近解析的转换效率公式。实验上对一个五维空间的qudit态∑2j=-2|j）进行了高保真度的频率下转换，成功地解决了转换效率强烈依赖空间模式的行业难题，为高维量子网络奠定了基础。