近日，北京理工大学光电学院高春清、付时尧团队将光学空间坐标变换与光子自旋霍尔效应相结合，在国际上首次构建了光子角动量滤波器，实现了光子自旋角动量与轨道角动量的按需调控。相关成果以 “Photon total angular momentum manipulation” 为题发表在在光学顶级期刊Advanced Photonics (SCI一区，IF: 17.3)上。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、博士后创新人才支持计划等的资助。北京理工大学光电学院2022级博士研究生李浪为该论文的第一作者，付时尧特别研究员为该论文的通讯作者。
相关研究表明，旋转运动的物体携带角动量，而角动量不仅存在于宏观尺度的物体中，也存在于光子等微观粒子中。光子所包含的角动量有两种不同的形式：自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）。而光子总角动量（TAM）是傍轴近似下光子SAM与OAM的总和，它提供了两个自由度，在激光雷达、激光加工、光通信、光计算、量子信息等前沿领域应用前景广阔。光子TAM态的有效识别与按需控制是其应用的重要基础，然而现有光子TAM态识别方法仍存在动态范围有限、识别精度低等问题，且无法按需调控滤波，制约了其应用发展。
针对上述问题，为实现大范围高精度的光子TAM模式识别及按需调控，该团队将波前复制引入光学空间坐标变换，结合光子自旋霍尔效应，设计并制备了高精度光子TAM态分离器件，如图1(a~f)所示。实现了多达42个光子TAM态的高精度分离，不同TAM态的光子分布于分离平面的特定区域，即可通过图像处理等手段实现光子TAM态的识别与TAM谱测量，如图1(g)所示。

图1. 该团队提出并制备的模式分离器件与分离平面TAM态分布
在分离器件的基础上，团队设计了由分离模式向原始光场变换的逆变换器件，进而通过级联分离器件与逆变换器件以类4-f滤波的形式实现了对光子TAM的按需滤波调控，如图2所示。

图2. 光子角动量滤波器结构
研究团队针对该系统开展了大量实验验证工作，以四TAM叠加态光场入射为例，如图3(a)所示，当分离平面不做空间滤波时，输出光场与输入光场保持一致，为花瓣状标量涡旋光场；而空间滤波后的输出光场由于两个单TAM模式被滤除，转换为经典不可分类 Bell态 ，表现为圆环状柱矢量光场。输入与输出系统光束的总角动量谱变化如图3(b)所示。

图3. 四TAM叠加态入射实验验证结果
该系统实现了42个光子TAM模式的分离，同时实现了光束在空间域与分离域的正反变换，通过实验证明级联分离和反变换组件可实现对输入光场的光子总角动量的按需调控。这项工作实现了对光子OAM和SAM态的同时滤波，使OAM域上光子角动量边模抑制成为可能，为高保真光子计算、量子雷达信号处理提供了新的途径。
论文链接：https://doi.org/10.1117/1.AP.5.5.056002


附主要作者简介：
李浪，北京理工大学光电学院2022级博士研究生，导师为付时尧特别研究员。曾获北京市优秀毕业生，北京理工大学优秀毕业生等荣誉，主要研究方向为激光光场调控技术及应用。
付时尧，北京理工大学长聘副教授、特别研究员、博士生导师，主要研究方向为激光光场调控技术及应用。入选人社部“博新计划”（2019），主持国家重点研发计划等科研项目10余项，部分科研成果已经工程化应用。在Adv. Photon.，PhotoniX、Photon. Res.、Adv. Photon. Nexus、Opt. Lett.等知名期刊上发表SCI论文50余篇；受邀在国内外顶级学术会议上作邀请报告10余次；获20项授权发明专利；出版专著2部。获北京市自然科学二等奖（第一完成人，2022）、中国光学学会王大珩光学奖（2017）、中国电子学会优博（2020）。现为中国光学学会、中国仪器仪表学会高级会员，中国激光与光电子行业协会激光应用分会青年委员，中国激光杂志社第三届青年编辑委员会委员，《光学学报》《红外与激光工程》《应用光学》等青年编委，是Nature、Optica、ACS等系列期刊审稿专家，科技部、教育部、基金委、北京市等评审专家库专家。