近日，北京理工大學光電學院高春清、付時堯團隊將光學空間坐標變換與光子自旋霍爾效應相結合，在國際上首次構建了光子角動量濾波器，實現了光子自旋角動量與軌道角動量的按需調控。相關成果以 “Photon total angular momentum manipulation” 為題發表在在光學頂級期刊Advanced Photonics (SCI一區，IF: 17.3)上。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、博士后創新人才支持計劃等的資助。北京理工大學光電學院2022級博士研究生李浪為該論文的第一作者，付時堯特別研究員為該論文的通訊作者。
相關研究表明，旋轉運動的物體攜帶角動量，而角動量不僅存在于宏觀尺度的物體中，也存在于光子等微觀粒子中。光子所包含的角動量有兩種不同的形式：自旋角動量（SAM）和軌道角動量（OAM）。而光子總角動量（TAM）是傍軸近似下光子SAM與OAM的總和，它提供了兩個自由度，在激光雷達、激光加工、光通信、光計算、量子信息等前沿領域應用前景廣闊。光子TAM態的有效識別與按需控制是其應用的重要基礎，然而現有光子TAM態識別方法仍存在動態范圍有限、識別精度低等問題，且無法按需調控濾波，制約了其應用發展。
針對上述問題，為實現大范圍高精度的光子TAM模式識別及按需調控，該團隊將波前復制引入光學空間坐標變換，結合光子自旋霍爾效應，設計并制備了高精度光子TAM態分離器件，如圖1(a~f)所示。實現了多達42個光子TAM態的高精度分離，不同TAM態的光子分布于分離平面的特定區域，即可通過圖像處理等手段實現光子TAM態的識別與TAM譜測量，如圖1(g)所示。
圖1. 該團隊提出并制備的模式分離器件與分離平面TAM態分布
在分離器件的基礎上，團隊設計了由分離模式向原始光場變換的逆變換器件，進而通過級聯分離器件與逆變換器件以類4-f濾波的形式實現了對光子TAM的按需濾波調控，如圖2所示。
圖2. 光子角動量濾波器結構
研究團隊針對該系統開展了大量實驗驗證工作，以四TAM疊加態光場入射為例，如圖3(a)所示，當分離平面不做空間濾波時，輸出光場與輸入光場保持一致，為花瓣狀標量渦旋光場；而空間濾波后的輸出光場由于兩個單TAM模式被濾除，轉換為經典不可分類 Bell態 ，表現為圓環狀柱矢量光場。輸入與輸出系統光束的總角動量譜變化如圖3(b)所示。
圖3. 四TAM疊加態入射實驗驗證結果
該系統實現了42個光子TAM模式的分離，同時實現了光束在空間域與分離域的正反變換，通過實驗證明級聯分離和反變換組件可實現對輸入光場的光子總角動量的按需調控。這項工作實現了對光子OAM和SAM態的同時濾波，使OAM域上光子角動量邊模抑制成為可能，為高保真光子計算、量子雷達信號處理提供了新的途徑。
附主要作者簡介：
李浪，北京理工大學光電學院2022級博士研究生，導師為付時堯特別研究員。曾獲北京市優秀畢業生，北京理工大學優秀畢業生等榮譽，主要研究方向為激光光場調控技術及應用。
付時堯，北京理工大學長聘副教授、特別研究員、博士生導師，主要研究方向為激光光場調控技術及應用。入選人社部“博新計劃”（2019），主持國家重點研發計劃等科研項目10余項，部分科研成果已經工程化應用。在Adv. Photon.，PhotoniX、Photon. Res.、Adv. Photon. Nexus、Opt. Lett.等知名期刊上發表SCI論文50余篇；受邀在國內外頂級學術會議上作邀請報告10余次；獲20項授權發明專利；出版專著2部。獲北京市自然科學二等獎（第一完成人，2022）、中國光學學會王大珩光學獎（2017）、中國電子學會優博（2020）。現為中國光學學會、中國儀器儀表學會高級會員，中國激光與光電子行業協會激光應用分會青年委員，中國激光雜志社第三屆青年編輯委員會委員，《光學學報》《紅外與激光工程》《應用光學》等青年編委，是Nature、Optica、ACS等系列期刊審稿專家，科技部、教育部、基金委、北京市等評審專家庫專家。
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