研究背景
光，一直是人類傳輸信息的最重要載體。從振幅到頻度，從相位到偏振光，隨著科學技術的不斷發展，人們發覺了越來越多有關光的特點。其中最奇妙的，就是光就像實物粒子通常，還能攜帶角動量。
早在1909年，美國化學學家約翰·坡印亭就意識到圓偏振攜帶角動量的存在，現在也被稱為載流子角動量（SAM）。載流子角動量σ有兩個本征值，可為±1，每一個光子攜帶的載流子角動量值為S=σ?。但是，直至1992年，匈牙利科學家L.Allen等人才強調具有螺旋相位exp(ilφ)的光束攜帶軌道角動量（OAM），其中l為拓撲荷數，亦稱為角量子數，其可為任意整數，是軌道的角動量的本征值，光束中每一個光子攜帶的軌道角動量值為L=l?。在傍軸近似下，光子的載流子角動量和軌道角動量的總和稱為光子弱冠動量（TAM），即光子攜帶的TAM可表示為SAM和OAM的疊加J=(l+σ)?，它提供了兩個自由度。攜帶TAM的光束在激光雷達、激光加工、光通訊、光估算、量子信息等前沿領域的應用前景遼闊。
圖1光子的載流子角動量（SAM）和軌道角動量（OAM）
近日，上海理工學院付時堯研究員、高春清院士研究團隊提出了一種偵測和調控光子弱冠動量的方式，并對42種光子TAM模式進行了模擬和實驗驗證。相關文章以total為題發表在2023年第5期。
創新工作
從本征態的角度而言，一個光子TAM態可以表示為SAM態和OAM態的直積：
。因而，對TAM的調控可以通過同時對SAM態和OAM態進行調控來實現。
圖2光子TAM模式操縱器（混頻器）結構示意圖
如圖2所示，在這項工作中，研究人員采用一對準對稱結構（a：TAM分離器，b：TAM合束器）實現對多種TAM模式的混頻。模式分離器和合束器均由一組液晶元件和兩個光學透鏡構成。模式分離器的兩個液晶元件為幾何相位光學器件，解環元件（U1）與校準元件（C1）分別放置在透鏡（L1）右側焦點處。當攜帶了多種TAM模式的光束通過TAM分離器時，入射光場中的不同TAM模式會被轉換為透鏡（L2）后焦面處不同的空間位置的片狀光場：如圖3c所示，具有不同SAM的模式會在空間水平方向形成一定的間隔，而具有不同OAM的模式則會在垂直方向上形成間隔。接出來只須要在L2的焦平面處（Sp）進行特定的空間混頻，再通過一組與TAM分離器準對稱的TAM合束器將模式合束得到混頻后的光束，即可實現對TAM模式的按需控制。
圖3對42組不同TAM模式光束傳輸和混頻的模擬及實驗結果
在實驗中，研究人員借助TAM模式混頻器，分別對包含單一軌道角動量lk=-10,-9,…,+10，的左旋或右旋圓偏光量子傳輸實物，共42種TAM模式進行了直通情況下（混頻平面不作任何遮擋）的仿真模擬和實驗測試。圖3a所展示的是對lk=-7的左旋圓偏光與lk=+8的右旋圓偏光
的分解和恢復結果，在分離平面（透鏡L2的焦平面）上可以顯著地看出所分離出的OAM和SAM位置特點，而該輸出平面可見最終合束的光場與輸入光場具有基本相同的振幅與相位特點。圖3b則借助混淆矩陣展示了TAM模式操縱器對所有42個TAM模式都還能進行有效的分離和復原。相應的，若在L2的焦平面上設置一定的遮擋（圖4中的Sp2），這么TAM模式中的特定OAM和SAM信息將會被有效的過濾。以四TAM疊加態光場
入射為例，
，如圖4a所示，當分離平面不加倉間混頻時量子傳輸實物，輸出光場與輸入光場保持一致，為花瓣狀標量渦旋光場；而空間混頻后的輸出光場因為
模式被濾除，轉換為精典不可分的類Bell態
，表現為圓環狀柱矢量光場。輸入與輸出系統光束的弱冠動量譜變化如圖4b所示。
圖4對富含4TAM疊加態的混頻實驗結果
總結
光子弱冠動量同時包含載流子角動量和軌道角動量兩個自由度，對實現高速大容量數據傳輸、高安全性光子加密系統以及更高維度的量子糾纏具有重要意義。此項工作設計并實現了一種針對光波TAM模式的譯碼、濾波裝置，可以實現對光子OAM和SAM模式的同步分解及控制。作為一種新型的光子混頻器，它提供了一種簡約有效的光場調控方案，使OAM域上光子角動量邊模抑制成為可能，為高保真光子估算、量子雷達訊號處理提供了新的途徑。
論文鏈接：
LangLi,Guo,Zhang,ZijunShang,ChenLi,JiaqiWang,Gao,LanHai,Gao,Fu.total[J].,2023,5(5):
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