近日，北京理工大學(xué)光電學(xué)院高春清、付時堯團隊將光學(xué)空間坐標(biāo)變換與光子自旋霍爾效應(yīng)相結(jié)合，在國際上首次構(gòu)建了光子角動量濾波器，實現(xiàn)了光子自旋角動量與軌道角動量的按需調(diào)控。相關(guān)成果以 “Photon total angular momentum manipulation” 為題發(fā)表在在光學(xué)頂級期刊Advanced Photonics (SCI一區(qū)，IF: 17.3)上。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、博士后創(chuàng)新人才支持計劃等的資助。北京理工大學(xué)光電學(xué)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(guān)研究表明，旋轉(zhuǎn)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(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。光子TAM態(tài)的有效識別與按需控制是其應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，然而現(xiàn)有光子TAM態(tài)識別方法仍存在動態(tài)范圍有限、識別精度低等問題，且無法按需調(diào)控濾波，制約了其應(yīng)用發(fā)展。

針對上述問題，為實現(xiàn)大范圍高精度的光子TAM模式識別及按需調(diào)控，該團隊將波前復(fù)制引入光學(xué)空間坐標(biāo)變換，結(jié)合光子自旋霍爾效應(yīng)，設(shè)計并制備了高精度光子TAM態(tài)分離器件，如圖1(a~f)所示。實現(xiàn)了多達42個光子TAM態(tài)的高精度分離，不同TAM態(tài)的光子分布于分離平面的特定區(qū)域，即可通過圖像處理等手段實現(xiàn)光子TAM態(tài)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(tài)分布

在分離器件的基礎(chǔ)上，團隊設(shè)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(lián)分離器件與逆變換器件以類4-f濾波的形式實現(xiàn)了對光子TAM的按需濾波調(diào)控，如圖2所示。

圖2. 光子角動量濾波器結(jié)構(gòu)

研究團隊針對該系統(tǒng)開展了大量實驗驗證工作，以四TAM疊加態(tài)光場入射為例，如圖3(a)所示，當(dāng)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(biāo)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(zhuǎn)換為經(jīng)典不可分類 Bell態(tài) ，表現(xiàn)為圓環(huán)狀柱矢量光場。輸入與輸出系統(tǒng)光束的總角動量譜變化如圖3(b)所示。

圖3. 四TAM疊加態(tài)入射實驗驗證結(jié)果

該系統(tǒng)實現(xiàn)了42個光子TAM模式的分離，同時實現(xiàn)了光束在空間域與分離域的正反變換，通過實驗證明級聯(lián)分離和反變換組件可實現(xiàn)對輸入光場的光子總角動量的按需調(diào)控。這項工作實現(xiàn)了對光子OAM和SAM態(tài)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(xué)光電學(xué)院2022級博士研究生，導(dǎo)師為付時堯特別研究員。曾獲北京市優(yōu)秀畢業(yè)生，北京理工大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)生等榮譽，主要研究方向為激光光場調(diào)控技術(shù)及應(yīng)用。

付時堯，北京理工大學(xué)長聘副教授、特別研究員、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為激光光場調(diào)控技術(shù)及應(yīng)用。入選人社部“博新計劃”（2019），主持國家重點研發(fā)計劃等科研項目10余項，部分科研成果已經(jīng)工程化應(yīng)用。在Adv. Photon.，PhotoniX、Photon. Res.、Adv. Photon. Nexus、Opt. Lett.等知名期刊上發(fā)表SCI論文50余篇；受邀在國內(nèi)外頂級學(xué)術(shù)會議上作邀請報告10余次；獲20項授權(quán)發(fā)明專利；出版專著2部。獲北京市自然科學(xué)二等獎（第一完成人，2022）、中國光學(xué)學(xué)會王大珩光學(xué)獎（2017）、中國電子學(xué)會優(yōu)博（2020）?，F(xiàn)為中國光學(xué)學(xué)會、中國儀器儀表學(xué)會高級會員，中國激光與光電子行業(yè)協(xié)會激光應(yīng)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(xué)學(xué)報》《紅外與激光工程》《應(yīng)用光學(xué)》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?guī)鞂＜摇?/p>