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(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們發(fā)覺了越來越多有關(guān)光的特點(diǎn)。其中最奇妙的，就是光就像實(shí)物粒子通常，還能攜帶角動(dòng)量。
早在1909年，美國(guó)化學(xué)學(xué)家約翰·坡印亭就意識(shí)到圓偏振攜帶角動(dòng)量的存在，現(xiàn)在也被稱為載流子角動(dòng)量（SAM）。載流子角動(dòng)量σ有兩個(gè)本征值，可為±1，每一個(gè)光子攜帶的載流子角動(dòng)量值為S=σ?。但是，直至1992年，匈牙利科學(xué)家L.Allen等人才強(qiáng)調(diào)具有螺旋相位exp(ilφ)的光束攜帶軌道角動(dòng)量（OAM），其中l(wèi)為拓?fù)浜蓴?shù)，亦稱為角量子數(shù)，其可為任意整數(shù)，是軌道的角動(dòng)量的本征值，光束中每一個(gè)光子攜帶的軌道角動(dòng)量值為L(zhǎng)=l?。在傍軸近似下，光子的載流子角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的總和稱為光子弱冠動(dòng)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(gè)自由度。攜帶TAM的光束在激光雷達(dá)、激光加工、光通訊、光估算、量子信息等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用前景遼闊。
圖1光子的載流子角動(dòng)量（SAM）和軌道角動(dòng)量（OAM）
近日，上海理工學(xué)院付時(shí)堯研究員、高春清院士研究團(tuán)隊(duì)提出了一種偵測(cè)和調(diào)控光子弱冠動(dòng)量的方式，并對(duì)42種光子TAM模式進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。相關(guān)文章以total為題發(fā)表在2023年第5期。
創(chuàng)新工作
從本征態(tài)的角度而言，一個(gè)光子TAM態(tài)可以表示為SAM態(tài)和OAM態(tài)的直積：
。因而，對(duì)TAM的調(diào)控可以通過同時(shí)對(duì)SAM態(tài)和OAM態(tài)進(jìn)行調(diào)控來實(shí)現(xiàn)。
圖2光子TAM模式操縱器（混頻器）結(jié)構(gòu)示意圖
如圖2所示，在這項(xiàng)工作中，研究人員采用一對(duì)準(zhǔn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)（a：TAM分離器，b：TAM合束器）實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)光學(xué)透鏡構(gòu)成。模式分離器的兩個(gè)液晶元件為幾何相位光學(xué)器件，解環(huán)元件（U1）與校準(zhǔn)元件（C1）分別放置在透鏡（L1）右側(cè)焦點(diǎn)處。當(dāng)攜帶了多種TAM模式的光束通過TAM分離器時(shí)，入射光場(chǎng)中的不同TAM模式會(huì)被轉(zhuǎn)換為透鏡（L2）后焦面處不同的空間位置的片狀光場(chǎng)：如圖3c所示，具有不同SAM的模式會(huì)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(huì)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(jìn)行特定的空間混頻，再通過一組與TAM分離器準(zhǔn)對(duì)稱的TAM合束器將模式合束得到混頻后的光束，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)TAM模式的按需控制。
圖3對(duì)42組不同TAM模式光束傳輸和混頻的模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員借助TAM模式混頻器，分別對(duì)包含單一軌道角動(dòng)量lk=-10,-9,…,+10，的左旋或右旋圓偏光量子傳輸實(shí)物，共42種TAM模式進(jìn)行了直通情況下（混頻平面不作任何遮擋）的仿真模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。圖3a所展示的是對(duì)lk=-7的左旋圓偏光與lk=+8的右旋圓偏光
的分解和恢復(fù)結(jié)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(diǎn)，而該輸出平面可見最終合束的光場(chǎng)與輸入光場(chǎng)具有基本相同的振幅與相位特點(diǎn)。圖3b則借助混淆矩陣展示了TAM模式操縱器對(duì)所有42個(gè)TAM模式都還能進(jìn)行有效的分離和復(fù)原。相應(yīng)的，若在L2的焦平面上設(shè)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(huì)被有效的過濾。以四TAM疊加態(tài)光場(chǎng)
入射為例，
，如圖4a所示，當(dāng)分離平面不加倉(cāng)間混頻時(shí)量子傳輸實(shí)物，輸出光場(chǎng)與輸入光場(chǎng)保持一致，為花瓣?duì)顦?biāo)量渦旋光場(chǎng)；而空間混頻后的輸出光場(chǎng)因?yàn)?span style="display:none">Quw物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
模式被濾除，轉(zhuǎn)換為精典不可分的類Bell態(tài)
，表現(xiàn)為圓環(huán)狀柱矢量光場(chǎng)。輸入與輸出系統(tǒng)光束的弱冠動(dòng)量譜變化如圖4b所示。
圖4對(duì)富含4TAM疊加態(tài)的混頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果
總結(jié)
光子弱冠動(dòng)量同時(shí)包含載流子角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量?jī)蓚€(gè)自由度，對(duì)實(shí)現(xiàn)高速大容量數(shù)據(jù)傳輸、高安全性光子加密系統(tǒng)以及更高維度的量子糾纏具有重要意義。此項(xiàng)工作設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種針對(duì)光波TAM模式的譯碼、濾波裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiǎn)約有效的光場(chǎng)調(diào)控方案，使OAM域上光子角動(dòng)量邊模抑制成為可能，為高保真光子估算、量子雷達(dá)訊號(hào)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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