实现光子角动量的精确控制新技术

旋转物体具有角动量，这一事实甚至延伸到最小的粒子，如光子。光子具有两种不同的角动量形式：自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）。 SAM在两个本征值之间舞动，代表右旋和左旋圆偏振，而OAM具有无限的本征值，对应于螺旋相位。当SAM与OAM结合时，我们见证了“总角动量”（TAM）的出现，这是一个光子工具箱，在激光雷达、激光加工、光通信、光计算、量子信息等领域具有广泛的应用。

全角动量操纵器的概念结构：携带多个角动量模的光束通过操纵器进行滤波

正如OAM给该领域带来了革命性变化一样，TAM模式的高效识别和实时控制为突破性的TAM应用提供了关键。然而，现有的识别光子TAM状态的方法存在局限性，包括动态范围有限、识别精度低以及无法动态适应滤波。这些限制限制了TAM开发和应用的进展。从光子束中提取所需的TAM模式至今仍是一个未解决的难题。

据《先进光子学》报道，北京理工大学的研究人员开发了一种光子TAM操纵器，消除了障碍，实现了对SAM和OAM的按需操纵。他们的方法涉及两个类似单元的对称级联：TAM分离器和TAM反转器。这些单元由称为解包器和校正器的专用光学元件组成，是通过细致的过程设计的。

当多TAM状态发生时，系统在直通和选择性阻断情况下的性能。(a)入射光束的实验结果；(b)上述两种情况下的输出光束的TAM光谱。在直通情况下，输出图案与输入一致。 对于选择性阻断情况，放置在分离平面的空间滤波器表示为Sp2。阻断后，这些光束的图案从花瓣状转变为圆环状。

将光子TAM操纵器想象成指挥管弦乐队的指挥。TAM分离器将入射光束转换成空间排列的条纹，每个条纹代表一个TAM模式。空间滤波器占据舞台，决定保留哪些TAM模式，阻挡哪些TAM模式。

最后，TAM反转器将分离的光束带回空间域，完成交响乐。这种转换过程将入射光束从空间域映射到“位置-TAM域”，以便在转换到空间域之前进行滤波。 研究人员报告了支持识别多达42个单独TAM模式的实验演示。结果表明，TAM状态选择性能良好，这使其对高速大容量数据传输和高安全性光子加密系统特别有吸引力。它还为高保真光子计算和量子雷达信号处理提供了新的视角。

编辑：黄飞