光子轨道角动量的精确三维调控——方向、大小皆可控 | NSR

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上海理工大学詹其文教授团队基于时空涡旋和空间涡旋的碰撞，实现了光子轨道角动量三维指向的精确控制，增加了调控光子轨道角动量的新自由度，相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。

光子可携带自旋角动量和轨道角动量。在光的空间涡旋中，光子的轨道角动量为纵向；而在时空涡旋中，轨道角动量为横向。

在这项工作中，研究人员利用时空涡旋和空间涡旋之间的碰撞，使二者的涡线各自发生扭转，从而在生成的时空波包中实现了对光子轨道角动量三维方向的精确控制。这增加了光子轨道角动量的新自由度。

三维可控光子轨道角动量。时空涡旋与空间涡旋正交，并随着波包传播，波包中平均每光子所携带的轨道角动量的大小及三维指向精确可控。

而且，在实验生成的时空波包中，研究者不仅可以控制光子轨道角动量的三维指向，还可以控制平均每光子所携带的光子轨道角动量大小。其大小不局限于约化普朗克常数的整数倍，也可以是约化普朗克常数的非整数倍。

时空波包产生与测量装置图。时空波包通过在时空域的光场调控，实现时空涡旋与空间涡旋的相交。基于切片干涉技术，重建波包的三维光场分布。

同时，一个时空波包可以包含多个时空涡旋和多个空间涡旋的碰撞，从而可以在时域上对光子轨道角动量的大小和方向进行快速的调控。

该研究成果在三维空间以及时域上实现了对光子轨道角动量的精确控制，对研究光与超材料相互作用，以及开发新型光子器件都具有重要意义。

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