Adv. Photon. | 光子总角动量调控及滤波

光，始终是人类传输信息的最重要载体。从振幅到频率，从相位到偏振，随着科学技术的不断发展，人们发现了越来越多有关光的特性。其中最奇妙的，就是光如同实物粒子一般，能够携带角动量。

早在1909年，英国物理学家约翰·坡印亭就意识到圆偏振光携带角动量的存在，如今也被称为自旋角动量（SAM）。自旋角动量σ有两个本征值，可为±1，每一个光子携带的自旋角动量值为S=σħ。然而，直到1992年，荷兰科学家L.Allen等人才指出具有螺旋相位exp(ilφ)的光束携带轨道角动量（OAM），其中l为拓扑荷数，也称为角量子数，其可为任意整数，是轨道的角动量的本征值，光束中每一个光子携带的轨道角动量值为L = lħ。在傍轴近似下，光子的自旋角动量和轨道角动量的总和称为光子总角动量（TAM），即光子携带的TAM可表示为SAM和OAM的叠加J = (l + σ)ħ，它提供了两个自由度。携带TAM的光束在激光雷达、激光加工、光通信、光计算、量子信息等前沿领域的应用前景广阔。

图1 光子的自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）

近期，北京理工大学付时尧研究员、高春清教授研究团队提出了一种探测和调控光子总角动量的方法，并对42种光子TAM模式进行了模拟和实验验证。相关文章以Photon total angular momentum manipulation为题发表在Advanced Photonics 2023年第5期。

从本征态的角度而言，一个光子TAM态可以表示为SAM态和OAM态的直积：。因此，对TAM的调控可以通过同时对SAM态和OAM态进行调控来实现。

图2 光子TAM模式操纵器（滤波器）结构示意图

如图2所示，在这项工作中，研究人员采用一对准对称结构（a：TAM分离器，b：TAM合束器）实现对多种TAM模式的滤波。模式分离器和合束器均由一组液晶器件和两个光学透镜构成。模式分离器的两个液晶器件为几何相位光学元件，解环器件（U₁）与校正器件（C₁）分别放置在透镜（L₁）两侧焦点处。当携带了多种TAM模式的光束通过TAM分离器时，入射光场中的不同TAM模式会被转换为透镜（L₂）后焦面处不同的空间位置的条状光场：如图3c所示，具有不同SAM的模式会在空间水平方向产生一定的间隔，而具有不同OAM的模式则会在垂直方向上产生间隔。接下来只需要在L₂的焦平面处（Sp）进行特定的空间滤波，再通过一组与TAM分离器准对称的TAM合束器将模式合束得到滤波后的光束，即可实现对TAM 模式的按需控制。

图3 对42组不同TAM模式光束传输和滤波的模拟及实验结果

在实验中，研究人员利用TAM模式滤波器，分别对包含单一轨道角动量l_k=-10, -9,…,+10，的左旋或右旋圆偏光，共42种TAM模式进行了直通情况下（滤波平面不作任何遮挡）的仿真模拟和实验测试。图3a所展示的是对l_k=-7的左旋圆偏光与l_k=+8的右旋圆偏光的分解和恢复结果，在分离平面（透镜L₂的焦平面）上可以明显地看出所分离出的OAM和SAM位置特征，而该输出平面可见最终合束的光场与输入光场具有基本相同的振幅与相位特征。图3b则利用混淆矩阵展示了TAM模式操纵器对所有42个TAM模式都能够进行有效的分离和复原。相应的，若在L₂的焦平面上设置一定的遮挡（图4中的Sp₂），那么TAM模式中的特定OAM和SAM信息将会被有效的过滤。以四TAM叠加态光场入射为例，，如图4a所示，当分离平面不做空间滤波时，输出光场与输入光场保持一致，为花瓣状标量涡旋光场；而空间滤波后的输出光场由于模式被滤除，转换为经典不可分的类Bell态，表现为圆环状柱矢量光场。输入与输出系统光束的总角动量谱变化如图4b所示。

图4 对含有4TAM叠加态的滤波实验结果

光子总角动量同时包含自旋角动量和轨道角动量两个自由度，对实现高速大容量数据传输、高安全性光子加密系统以及更高维度的量子纠缠具有重要意义。此项工作设计并实现了一种针对光波TAM模式的解调、滤波装置，可以实现对光子OAM和SAM模式的同步分解及控制。作为一种新型的光子滤波器，它提供了一种简洁有效的光场调控方案，使OAM域上光子角动量边模抑制成为可能，为高保真光子计算、量子雷达信号处理提供了新的途径。

Lang Li, Yingchi Guo, Zhichao Zhang, Zijun Shang, Chen Li, Jiaqi Wang, Liliang Gao, Lan Hai, Chunqing Gao, Shiyao Fu. Photon total angular momentum manipulation[J]. Advanced Photonics, 2023, 5(5): 056002