實(shí)現(xiàn)光子角動量的精確控制新技術(shù)

旋轉(zhuǎn)物體具有角動量，這一事實(shí)甚至延伸到最小的粒子，如光子。光子具有兩種不同的角動量形式：自旋角動量（SAM）和軌道角動量（OAM）。 SAM在兩個本征值之間舞動，代表右旋和左旋圓偏振，而OAM具有無限的本征值，對應(yīng)于螺旋相位。當(dāng)SAM與OAM結(jié)合時，我們見證了“總角動量”（TAM）的出現(xiàn)，這是一個光子工具箱，在激光雷達(dá)、激光加工、光通信、光計算、量子信息等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

全角動量操縱器的概念結(jié)構(gòu)：攜帶多個角動量模的光束通過操縱器進(jìn)行濾波

正如OAM給該領(lǐng)域帶來了革命性變化一樣，TAM模式的高效識別和實(shí)時控制為突破性的TAM應(yīng)用提供了關(guān)鍵。然而，現(xiàn)有的識別光子TAM狀態(tài)的方法存在局限性，包括動態(tài)范圍有限、識別精度低以及無法動態(tài)適應(yīng)濾波。這些限制限制了TAM開發(fā)和應(yīng)用的進(jìn)展。從光子束中提取所需的TAM模式至今仍是一個未解決的難題。

據(jù)《先進(jìn)光子學(xué)》報道，北京理工大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種光子TAM操縱器，消除了障礙，實(shí)現(xiàn)了對SAM和OAM的按需操縱。他們的方法涉及兩個類似單元的對稱級聯(lián)：TAM分離器和TAM反轉(zhuǎn)器。這些單元由稱為解包器和校正器的專用光學(xué)元件組成，是通過細(xì)致的過程設(shè)計的。

當(dāng)多TAM狀態(tài)發(fā)生時，系統(tǒng)在直通和選擇性阻斷情況下的性能。(a)入射光束的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；(b)上述兩種情況下的輸出光束的TAM光譜。在直通情況下，輸出圖案與輸入一致。 對于選擇性阻斷情況，放置在分離平面的空間濾波器表示為Sp2。阻斷后，這些光束的圖案從花瓣狀轉(zhuǎn)變?yōu)閳A環(huán)狀。

將光子TAM操縱器想象成指揮管弦樂隊的指揮。TAM分離器將入射光束轉(zhuǎn)換成空間排列的條紋，每個條紋代表一個TAM模式?？臻g濾波器占據(jù)舞臺，決定保留哪些TAM模式，阻擋哪些TAM模式。

最后，TAM反轉(zhuǎn)器將分離的光束帶回空間域，完成交響樂。這種轉(zhuǎn)換過程將入射光束從空間域映射到“位置-TAM域”，以便在轉(zhuǎn)換到空間域之前進(jìn)行濾波。 研究人員報告了支持識別多達(dá)42個單獨(dú)TAM模式的實(shí)驗(yàn)演示。結(jié)果表明，TAM狀態(tài)選擇性能良好，這使其對高速大容量數(shù)據(jù)傳輸和高安全性光子加密系統(tǒng)特別有吸引力。它還為高保真光子計算和量子雷達(dá)信號處理提供了新的視角。

編輯：黃飛