研究背景
光，一直是人类传输信息的最重要载体。从振幅到频度，从相位到偏振光，随着科学技术的不断发展，人们发觉了越来越多有关光的特点。其中最奇妙的，就是光就像实物粒子通常，还能携带角动量。
早在1909年，美国化学学家约翰·坡印亭就意识到圆偏振携带角动量的存在，现在也被称为载流子角动量（SAM）。载流子角动量σ有两个本征值，可为±1，每一个光子携带的载流子角动量值为S=σħ。但是，直至1992年，匈牙利科学家L.Allen等人才强调具有螺旋相位exp(ilφ)的光束携带轨道角动量（OAM），其中l为拓扑荷数，亦称为角量子数，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，光子的载流子角动量和轨道角动量的总和称为光子弱冠动量（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、光通讯、光估算、量子信息等前沿领域的应用前景辽阔。
图1光子的载流子角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）
近日，上海理工学院付时尧研究员、高春清院士研究团队提出了一种侦测和调控光子弱冠动量的方式，并对42种光子TAM模式进行了模拟和实验验证。相关文章以total为题发表在2023年第5期。
创新工作
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：
。因而，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（混频器）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模式的混频。模式分离器和合束器均由一组液晶元件和两个光学透镜构成。模式分离器的两个液晶元件为几何相位光学器件，解环元件（U1）与校准元件（C1）分别放置在透镜（L1）右侧焦点处。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片状光场：如图3c所示，具有不同SAM的模式会在空间水平方向形成一定的间隔，而具有不同OAM的模式则会在垂直方向上形成间隔。接出来只须要在L2的焦平面处（Sp）进行特定的空间混频，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混频后的光束，即可实现对TAM模式的按需控制。
图3对42组不同TAM模式光束传输和混频的模拟及实验结果
在实验中，研究人员借助TAM模式混频器，分别对包含单一轨道角动量lk=-10,-9,…,+10，的左旋或右旋圆偏光量子传输实物，共42种TAM模式进行了直通情况下（混频平面不作任何遮挡）的仿真模拟和实验测试。图3a所展示的是对lk=-7的左旋圆偏光与lk=+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）上可以显著地看出所分离出的OAM和SAM位置特点，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点。图3b则借助混淆矩阵展示了TAM模式操纵器对所有42个TAM模式都还能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），这么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，当分离平面不加仓间混频时量子传输实物，输出光场与输入光场保持一致，为花瓣状标量涡旋光场；而空间混频后的输出光场因为
模式被滤除，转换为精典不可分的类Bell态
，表现为圆环状柱矢量光场。输入与输出系统光束的弱冠动量谱变化如图4b所示。
图4对富含4TAM叠加态的混频实验结果
总结
光子弱冠动量同时包含载流子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模式的译码、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混频器，它提供了一种简约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，为高保真光子估算、量子雷达讯号处理提供了新的途径。
论文链接：
LangLi,Guo,Zhang,ZijunShang,ChenLi,JiaqiWang,Gao,LanHai,Gao,Fu.total[J].,2023,5(5):
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