1. 從“光有動(dòng)量”到“光有角動(dòng)量”一個(gè)被忽視的物理維度聊到光我們最熟悉的概念是它的能量和動(dòng)量。一束光打在身上會(huì)發(fā)熱這是能量光壓推動(dòng)“太陽(yáng)帆”飛船這是動(dòng)量。但如果你以為光只有這些“直來(lái)直去”的屬性那就錯(cuò)過(guò)了它更精妙的一面——光其實(shí)還攜帶著“角動(dòng)量”。這個(gè)概念聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)抽象但它在現(xiàn)代科技中扮演的角色遠(yuǎn)比我們想象的要重要和有趣。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)光的角動(dòng)量描述了光在傳播過(guò)程中“旋轉(zhuǎn)”的特性。想象一下你用手電筒照向一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺光不僅能推動(dòng)它還能讓它轉(zhuǎn)得更快或更慢這種與旋轉(zhuǎn)相關(guān)的相互作用背后就是角動(dòng)量在起作用。它不是一個(gè)為了理論完備性而硬湊出來(lái)的數(shù)學(xué)概念而是真實(shí)存在、可以被測(cè)量、并且正在被應(yīng)用的物理量。從操控微觀粒子到實(shí)現(xiàn)超大容量的光通信光的角動(dòng)量正從一個(gè)深?yuàn)W的物理課題迅速演變?yōu)榍把丶夹g(shù)的核心引擎。對(duì)于物理愛(ài)好者、光學(xué)領(lǐng)域的學(xué)生或是從事微納操控、量子信息、新型通信技術(shù)研發(fā)的工程師和研究者而言理解光的角動(dòng)量就如同掌握了一把打開(kāi)新世界大門(mén)的鑰匙。它讓我們看待光的方式從一束簡(jiǎn)單的能量流升級(jí)為一個(gè)攜帶著豐富“信息結(jié)構(gòu)”的載體。接下來(lái)我們就拋開(kāi)復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式用盡可能直觀的方式拆解光的角動(dòng)量到底是什么它有哪些類型以及我們?nèi)绾卫盟鼇?lái)做一些非常酷的事情。2. 拆解光的角動(dòng)量自旋與軌道兩種不同的“旋轉(zhuǎn)”光的角動(dòng)量并非單一概念它主要分為兩大類自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量。這兩者雖然都叫“角動(dòng)量”但產(chǎn)生的機(jī)制和物理圖像截然不同就像地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)是兩種不同的旋轉(zhuǎn)模式。2.1 自旋角動(dòng)量光波自身的“擰麻花”自旋角動(dòng)量與光的偏振態(tài)直接相關(guān)。我們可以把光波想象成一根沿著傳播方向振動(dòng)的“繩子”。普通的光比如太陽(yáng)光或白熾燈光其振動(dòng)方向是雜亂無(wú)章的我們稱之為非偏振光。而激光或者經(jīng)過(guò)偏振片的光其電場(chǎng)的振動(dòng)方向被限制在一個(gè)特定的平面內(nèi)這就是線偏振光。關(guān)鍵來(lái)了當(dāng)光的偏振態(tài)不是簡(jiǎn)單的線偏振而是圓偏振或橢圓偏振時(shí)自旋角動(dòng)量就出現(xiàn)了。對(duì)于圓偏振光其電場(chǎng)矢量的尖端在垂直于光傳播方向的平面上會(huì)畫(huà)出一個(gè)圓圈。并且這個(gè)旋轉(zhuǎn)是有方向的從光傳播的方向看過(guò)去如果電場(chǎng)矢量是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)我們稱之為左旋圓偏振光如果是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)則是右旋圓偏振光。注意左旋和右旋的定義在物理學(xué)和化學(xué)中有時(shí)相反這里采用光學(xué)中常見(jiàn)的“從光源看向觀察者”的視角定義。這個(gè)電場(chǎng)矢量自身的旋轉(zhuǎn)就對(duì)應(yīng)著光的自旋角動(dòng)量。左旋圓偏振光攜帶 ?正的自旋角動(dòng)量右旋圓偏振光攜帶 -?負(fù)的自旋角動(dòng)量這里的 ? 是約化普朗克常數(shù)。線偏振光可以看作是等量的左旋和右旋圓偏振光的疊加因此其凈自旋角動(dòng)量為零。一個(gè)非常直觀的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證用一束強(qiáng)力的圓偏振激光照射一個(gè)由雙折射材料如方解石制成的微小“轉(zhuǎn)子”尺寸在微米量級(jí)。由于材料對(duì)左旋和右旋光的吸收率不同光子的自旋角動(dòng)量會(huì)轉(zhuǎn)移給粒子導(dǎo)致這個(gè)微小的轉(zhuǎn)子開(kāi)始持續(xù)旋轉(zhuǎn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)直接證明了自旋角動(dòng)量的真實(shí)存在和可操控性。2.2 軌道角動(dòng)量光波前的“螺旋樓梯”如果說(shuō)自旋角動(dòng)量是光波“自身擰著轉(zhuǎn)”那么軌道角動(dòng)量描述的就是光波整體波前的空間結(jié)構(gòu)像“螺旋”一樣展開(kāi)。攜帶軌道角動(dòng)量的光束其波前等相位面不是平面或球面而是一個(gè)螺旋面類似于樓梯的螺旋扶手或者螺絲的螺紋。這種光束的中心相位是奇異的因此光強(qiáng)為零形成一條暗線所以這類光束通常有一個(gè)環(huán)形的光強(qiáng)分布中心是暗的。描述這個(gè)螺旋陡峭程度的參數(shù)是一個(gè)整數(shù)l稱為拓?fù)浜蓴?shù)。l 0對(duì)應(yīng)普通的高斯光束平面波前。l 1表示波前每繞光軸一周相位增加 2π形成一個(gè)單螺旋。l 2則是雙螺旋相位增加 4π以此類推。l也可以是負(fù)值代表螺旋方向相反。攜帶軌道角動(dòng)量的光束其相位因子中會(huì)包含一個(gè)exp(ilφ)項(xiàng)其中φ是圍繞光軸的方位角。正是這個(gè)項(xiàng)賦予了光束螺旋的波前結(jié)構(gòu)。每個(gè)光子所攜帶的軌道角動(dòng)量大小為l?。關(guān)鍵在于l可以取任意整數(shù)值理論上可以非常大這意味著軌道角動(dòng)量在理論上提供了無(wú)限多個(gè)正交的狀態(tài)。為什么這一點(diǎn)至關(guān)重要傳統(tǒng)的光通信我們調(diào)制光的強(qiáng)度、頻率、偏振對(duì)應(yīng)自旋角動(dòng)量但只有左、右旋兩個(gè)態(tài)信息承載的維度有限。而軌道角動(dòng)量的拓?fù)浜蓴?shù)l理論上可以取無(wú)窮多個(gè)值每一個(gè)值都代表一個(gè)獨(dú)立、正交的“通道”。這就好比原來(lái)的通信是單車(chē)道現(xiàn)在突然變成了一個(gè)擁有無(wú)數(shù)條并行車(chē)道的高速公路通信容量潛力巨大。3. 如何生成與檢測(cè)從理論到實(shí)驗(yàn)的橋梁理解了兩種角動(dòng)量下一個(gè)實(shí)際問(wèn)題就是在實(shí)驗(yàn)室里我們?nèi)绾巍爸圃臁背鰯y帶特定角動(dòng)量的光又如何“看見(jiàn)”或測(cè)量它呢3.1 生成攜帶角動(dòng)量的光對(duì)于自旋角動(dòng)量圓偏振光方法非常成熟和簡(jiǎn)單。最常用的就是使用1/4 波片。將一束線偏振光以45度角入射到1/4波片上出射光就是圓偏振光。具體是左旋還是右旋取決于線偏振光的振動(dòng)方向相對(duì)于波片快軸的方位。這是實(shí)驗(yàn)室和許多光學(xué)器件的標(biāo)準(zhǔn)操作。對(duì)于軌道角動(dòng)量渦旋光束方法多樣各有優(yōu)劣以下是幾種主流技術(shù)螺旋相位板這是一片特殊加工的透明平板其厚度隨著方位角φ線性增加形狀像一個(gè)“螺旋坡道”。當(dāng)平面波通過(guò)它時(shí)不同方位角的光經(jīng)歷的光程不同從而被賦予一個(gè)lφ的相位延遲直接生成渦旋光束。這種方法效率高但針對(duì)每個(gè)拓?fù)浜蓴?shù)l需要定制一塊相位板不夠靈活。計(jì)算全息法空間光調(diào)制器SLM這是目前實(shí)驗(yàn)室最主流、最靈活的方法。空間光調(diào)制器是一個(gè)可編程的液晶器件可以像電腦屏幕一樣動(dòng)態(tài)地加載不同的全息圖相位圖。當(dāng)我們把一個(gè)計(jì)算生成的、帶有叉形光柵圖案對(duì)應(yīng) exp(ilφ) 相位的全息圖加載到SLM上然后用一束高斯光束照射其衍射的某一級(jí)通常是1級(jí)就會(huì)產(chǎn)生我們想要的渦旋光束。通過(guò)軟件改變?nèi)D我們可以在毫秒量級(jí)切換不同的l值靈活性無(wú)與倫比。模式轉(zhuǎn)換器例如利用兩個(gè)柱面透鏡按特定方式組合可以將高階的厄米-高斯光束轉(zhuǎn)換成拉蓋爾-高斯光束一種常見(jiàn)的攜帶軌道角動(dòng)量的光束模式。這種方法光學(xué)效率高但系統(tǒng)復(fù)雜調(diào)整精度要求高。光纖或激光腔直接產(chǎn)生通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的光纖如少模光纖、光子晶體光纖或激光諧振腔可以直接激發(fā)出攜帶軌道角動(dòng)量的光束模式。這種方法產(chǎn)生的光束質(zhì)量好系統(tǒng)緊湊是未來(lái)集成化應(yīng)用的重要方向。3.2 檢測(cè)與測(cè)量光的角動(dòng)量對(duì)于自旋角動(dòng)量檢測(cè)圓偏振光的標(biāo)準(zhǔn)工具是1/4 波片與偏振片的組合。先將待測(cè)光通過(guò)一個(gè)1/4波片如果它是圓偏振光就會(huì)被轉(zhuǎn)換成線偏振光且偏振方向是確定的。然后再用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的偏振片或偏振分束棱鏡檢測(cè)會(huì)出現(xiàn)消光現(xiàn)象從而判斷圓偏振的方向左旋/右旋。更定量地可以使用偏振態(tài)分析儀。對(duì)于軌道角動(dòng)量檢測(cè)相對(duì)復(fù)雜因?yàn)槲覀冃枰R(shí)別其螺旋相位結(jié)構(gòu)。干涉法這是最直觀的方法。將待測(cè)的渦旋光束與一束參考光通常是平面波或高斯光束進(jìn)行干涉。在干涉圖樣中會(huì)出現(xiàn)l條徑向的叉形條紋。通過(guò)數(shù)叉形條紋的分叉數(shù)量可以直接確定拓?fù)浜蓴?shù)l的絕對(duì)值。這是判斷光束是否攜帶軌道角動(dòng)量以及l(fā)值大小的“金標(biāo)準(zhǔn)”。衍射法模式分解讓渦旋光束通過(guò)一個(gè)與生成時(shí)相位圖案“共軛”的全息圖例如生成用exp(ilφ)檢測(cè)就用exp(-ilφ)。如果匹配渦旋光束會(huì)被轉(zhuǎn)換回中心亮斑的高斯光束。通過(guò)觀察輸出光束的形態(tài)可以判斷。更通用的方法是利用SLM加載一系列不同l值的匹配全息圖看哪個(gè)能使輸出光斑最“干凈”、能量最集中從而確定l值。強(qiáng)度剖面法對(duì)于簡(jiǎn)單的低階模式觀察其光強(qiáng)分布環(huán)形、中心暗斑可以初步判斷。但高階或復(fù)合模式難以用此法準(zhǔn)確區(qū)分。基于深度學(xué)習(xí)的方法這是新興的前沿方向。將渦旋光束照射到散射介質(zhì)如毛玻璃上產(chǎn)生的散斑圖案與拓?fù)浜蓴?shù)l存在復(fù)雜但確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。用大量已知l值的散斑圖訓(xùn)練一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)可以直接、快速地從未知的散斑圖中識(shí)別出l值甚至能分辨疊加態(tài)速度極快抗干擾能力強(qiáng)。4. 核心應(yīng)用場(chǎng)景角動(dòng)量如何改變世界光的角動(dòng)量不僅僅是物理課本里的一個(gè)漂亮概念它正在從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用催生出一系列顛覆性的技術(shù)。4.1 光學(xué)微操控與“光學(xué)扳手”這是自旋角動(dòng)量最早、最經(jīng)典的應(yīng)用。利用高度聚焦的激光束可以形成“光學(xué)鑷子”捕獲并操控微米、納米尺度的粒子如細(xì)胞、細(xì)菌、膠體微粒、納米線。自旋角動(dòng)量的作用當(dāng)捕獲的粒子具有雙折射性或形狀不對(duì)稱時(shí)圓偏振光會(huì)將其自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移給粒子使其像被一個(gè)“光學(xué)扳手”擰著一樣發(fā)生連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這可以用來(lái)測(cè)量細(xì)胞膜的扭轉(zhuǎn)彈性、驅(qū)動(dòng)微小的轉(zhuǎn)子或者對(duì)生物大分子進(jìn)行扭轉(zhuǎn)載荷實(shí)驗(yàn)。軌道角動(dòng)量的作用渦旋光束中心是光強(qiáng)為零的暗核但周?chē)泻軓?qiáng)的強(qiáng)度梯度和相位梯度。粒子會(huì)被“困”在這個(gè)暗核周?chē)沫h(huán)形亮環(huán)內(nèi)。更重要的是光束的軌道角動(dòng)量會(huì)轉(zhuǎn)移給粒子導(dǎo)致粒子不僅被捕獲還會(huì)繞著光束的光軸做軌道運(yùn)動(dòng)即沿著環(huán)形路徑“公轉(zhuǎn)”。這為研究粒子間的相互作用、構(gòu)建微流控系統(tǒng)提供了強(qiáng)大工具。實(shí)操心得在搭建光鑷系統(tǒng)進(jìn)行角動(dòng)量操控時(shí)粒子的選擇至關(guān)重要。對(duì)于自旋操控粒子需要有明顯的各向異性如形狀細(xì)長(zhǎng)或雙折射性。對(duì)于軌道操控粒子的尺寸最好與環(huán)形光斑的尺寸匹配太大或太小都不容易被穩(wěn)定捕獲和驅(qū)動(dòng)。此外溶液的環(huán)境粘度、離子濃度會(huì)極大地影響旋轉(zhuǎn)的速率和穩(wěn)定性需要仔細(xì)控制。4.2 高容量光通信開(kāi)啟新的維度這是軌道角動(dòng)量目前最受關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域旨在解決未來(lái)通信的“容量危機(jī)”。傳統(tǒng)的光纖通信使用波分復(fù)用、偏振復(fù)用等技術(shù)但頻譜資源和偏振維度終究有限。軌道角動(dòng)量復(fù)用技術(shù)可以將不同拓?fù)浜蓴?shù)l的光束作為獨(dú)立的信道在同一根光纖中并行傳輸。由于不同l值的模式在理想情況下是相互正交的理論上可以無(wú)限復(fù)用從而指數(shù)級(jí)提升單根光纖的傳輸容量。實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在一條光纖中同時(shí)傳輸幾十個(gè)甚至上百個(gè)不同l值的模式。面臨的挑戰(zhàn)與解決方案模式串?dāng)_在實(shí)際光纖中由于彎曲、不均勻等缺陷不同OAM模式之間會(huì)發(fā)生耦合串?dāng)_導(dǎo)致接收端誤碼。解決方案包括使用特殊設(shè)計(jì)的“渦旋光纖”如環(huán)芯光纖來(lái)更好地保持模式純度以及開(kāi)發(fā)先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理算法來(lái)抵消串?dāng)_。模式生成與檢測(cè)的集成化實(shí)驗(yàn)室用的SLM體積大、成本高。未來(lái)的方向是開(kāi)發(fā)基于硅光芯片的微型OAM發(fā)生器與探測(cè)器實(shí)現(xiàn)片上集成這是走向?qū)嵱没年P(guān)鍵一步。4.3 量子信息與高維編碼在量子世界中一個(gè)光子可以同時(shí)處于多種狀態(tài)疊加態(tài)。傳統(tǒng)上我們用量子比特編碼信息它只有兩個(gè)基態(tài)如偏振的H和V。而光子的軌道角動(dòng)量態(tài)由于其無(wú)限維的希爾伯特空間可以天然地用作高維量子比特或稱“量子比特”。優(yōu)勢(shì)一增強(qiáng)信息容量一個(gè)OAM光子可以編碼 log?(d) 個(gè)經(jīng)典比特的信息其中 d 是使用的OAM態(tài)數(shù)目。使用多個(gè)OAM態(tài)單光子攜帶的信息量遠(yuǎn)超傳統(tǒng)偏振編碼。優(yōu)勢(shì)二提升安全性基于OAM的量子密鑰分發(fā)協(xié)議其高維特性使得竊聽(tīng)者被發(fā)現(xiàn)的概率更高理論上能提供更強(qiáng)的安全性。優(yōu)勢(shì)三實(shí)現(xiàn)復(fù)雜糾纏可以產(chǎn)生兩個(gè)光子在OAM維度上的糾纏態(tài)如一個(gè)光子是l1另一個(gè)必然是l-1這種高維糾纏是完成復(fù)雜量子計(jì)算和量子模擬的重要資源。注意事項(xiàng)在量子實(shí)驗(yàn)中OAM態(tài)的制備、操控和探測(cè)都需要極高的精度和穩(wěn)定性。任何微小的光學(xué)像差或擾動(dòng)都可能導(dǎo)致模式純度下降影響糾纏質(zhì)量或編碼保真度。通常需要結(jié)合自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)波前校正。4.4 超分辨顯微成像在傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡中衍射極限限制了分辨率的提升大約為半波長(zhǎng)。STED等超分辨技術(shù)通過(guò)“擦除”熒光斑外圍來(lái)突破極限。而OAM光在此提供了新思路。利用不同拓?fù)浜蓴?shù)的渦旋光束照射樣品由于其特殊的相位結(jié)構(gòu)可以激發(fā)樣品產(chǎn)生特殊的熒光響應(yīng)或非線性信號(hào)。通過(guò)探測(cè)這些信號(hào)并結(jié)合計(jì)算重構(gòu)可以從另一個(gè)維度提取樣品的更精細(xì)信息有助于實(shí)現(xiàn)超分辨成像。特別是結(jié)合單分子定位技術(shù)OAM光可以更精確地操控分子的取向和激發(fā)提升定位精度。4.5 遙感與旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)這是一個(gè)非常巧妙的測(cè)速應(yīng)用。當(dāng)一束攜帶軌道角動(dòng)量拓?fù)浜蓴?shù)為l的渦旋光束照射到一個(gè)旋轉(zhuǎn)的物體上時(shí)被散射或反射回來(lái)的光其頻率會(huì)發(fā)生一個(gè)微小的偏移。這個(gè)偏移量Δf與物體的旋轉(zhuǎn)角速度Ω成正比Δf l * Ω / (2π)。這被稱為旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)。它的妙處在于即使物體沒(méi)有朝向或遠(yuǎn)離探測(cè)器的平動(dòng)速度傳統(tǒng)多普勒測(cè)速要求只要它在旋轉(zhuǎn)就能被探測(cè)到。這使得我們可以非接觸、高精度地測(cè)量渦輪葉片、硬盤(pán)轉(zhuǎn)子、甚至天體如太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)速度。通過(guò)選擇不同的l值還可以調(diào)節(jié)測(cè)量的靈敏度。5. 深入原理角動(dòng)量守恒與光-物質(zhì)相互作用要真正理解應(yīng)用必須回到物理的核心——守恒定律。光的角動(dòng)量之所以能被轉(zhuǎn)移和利用根本在于角動(dòng)量守恒定律。當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)如被吸收、散射、折射其攜帶的角動(dòng)量自旋和/或軌道可以部分或全部地轉(zhuǎn)移給物質(zhì)。這個(gè)過(guò)程是量子化的以光子角動(dòng)量量子?為單位進(jìn)行交換。自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移一個(gè)左旋圓偏振光子被一個(gè)理想吸收體完全吸收會(huì)給該吸收體帶來(lái)?的角動(dòng)量使其獲得一個(gè)繞自身軸旋轉(zhuǎn)的扭矩。在光學(xué)微操控中這個(gè)扭矩驅(qū)動(dòng)粒子旋轉(zhuǎn)。軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)移一個(gè)攜帶l?軌道角動(dòng)量的光子被吸收不僅傳遞能量和線動(dòng)量還會(huì)傳遞一個(gè)繞光軸旋轉(zhuǎn)的“軌道”角動(dòng)量。在光鑷中這導(dǎo)致粒子繞光軸做軌道運(yùn)動(dòng)。一個(gè)關(guān)鍵但易混淆的點(diǎn)自旋與軌道角動(dòng)量的分離性。在自由空間傳播的光束中總角動(dòng)量是自旋和軌道兩部分之和。但在與尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的粒子相互作用時(shí)電偶極近似下主要發(fā)生的是自旋角動(dòng)量的轉(zhuǎn)移。只有當(dāng)粒子尺寸與光波長(zhǎng)可比擬或更大時(shí)或者粒子結(jié)構(gòu)特殊時(shí)軌道角動(dòng)量的轉(zhuǎn)移才會(huì)顯著。這也是為什么在早期光鑷實(shí)驗(yàn)中觀察到的主要是粒子的自旋軸向旋轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的軌道運(yùn)動(dòng)公轉(zhuǎn)需要更精細(xì)的設(shè)計(jì)。從麥克斯韋方程組的視角看角動(dòng)量密度可以從電磁場(chǎng)的能量-動(dòng)量張量導(dǎo)出。對(duì)于單色平面波其角動(dòng)量流密度可以分解為與偏振相關(guān)的部分自旋和與空間相位梯度相關(guān)的部分軌道。這種分解在理論上存在一些爭(zhēng)議尤其在近場(chǎng)或非傍軸條件下但在絕大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景如激光束中這種區(qū)分是清晰且物理意義明確的。6. 當(dāng)前挑戰(zhàn)與未來(lái)展望盡管前景廣闊但將光的角動(dòng)量技術(shù)大規(guī)模推向?qū)嵱没悦媾R一系列工程和物理上的挑戰(zhàn)。模式穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)無(wú)論是通信中的OAM模式還是量子信息中的OAM態(tài)都對(duì)傳輸通道的穩(wěn)定性極其敏感。光纖的彎曲、溫度變化、應(yīng)力自由空間的大氣湍流都會(huì)導(dǎo)致模式畸變、退化和模式間串?dāng)_。發(fā)展魯棒的模式復(fù)用/解復(fù)用方案、強(qiáng)大的自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償系統(tǒng)以及抗干擾的編解碼算法是必須攻克的關(guān)鍵。高效集成化器件的缺乏目前高質(zhì)量的OAM產(chǎn)生和檢測(cè)主要依賴體積龐大的空間光調(diào)制器或復(fù)雜的模式轉(zhuǎn)換器。開(kāi)發(fā)低成本、低功耗、小型化、可集成的OAM器件如基于超表面、光子集成電路的器件是降低技術(shù)門(mén)檻、拓展應(yīng)用場(chǎng)景的必經(jīng)之路。探測(cè)技術(shù)的靈敏度與速度特別是在量子信息和弱光傳感領(lǐng)域需要能夠高效、快速、區(qū)分不同OAM態(tài)的單光子探測(cè)器。現(xiàn)有的基于干涉或全息的探測(cè)方法往往效率不夠高或系統(tǒng)復(fù)雜。新型的單像素探測(cè)結(jié)合計(jì)算成像、或基于納米天線陣列的直接探測(cè)技術(shù)正在發(fā)展中。理論模型的進(jìn)一步精細(xì)化在強(qiáng)聚焦、近場(chǎng)、或與復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)相互作用的場(chǎng)景下自旋與軌道角動(dòng)量的分離和局域化描述仍然是一個(gè)活躍的理論研究課題。更精確的理論模型將指導(dǎo)更高效的器件設(shè)計(jì)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)。未來(lái)我們可能會(huì)看到光的角動(dòng)量技術(shù)在這些方向深度融合與人工智能結(jié)合用AI算法實(shí)時(shí)補(bǔ)償湍流、識(shí)別復(fù)雜OAM態(tài)與拓?fù)涔庾訉W(xué)結(jié)合設(shè)計(jì)出對(duì)缺陷免疫的拓?fù)浔Ｗo(hù)OAM波導(dǎo)與量子技術(shù)結(jié)合構(gòu)建基于高維OAM編碼的量子網(wǎng)絡(luò)和量子計(jì)算機(jī)。從我個(gè)人的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看入門(mén)光的角動(dòng)量研究最好的起點(diǎn)就是從動(dòng)手搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的渦旋光束生成和干涉檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始。一臺(tái)激光器、一個(gè)SLM或甚至一個(gè)簡(jiǎn)單的螺旋相位板、幾個(gè)透鏡和一面分束鏡就能讓你親眼看到那美麗的螺旋波前和叉形干涉條紋。這種直觀的感受比閱讀任何文獻(xiàn)都更能讓你理解“角動(dòng)量”這三個(gè)字背后所蘊(yùn)含的奇妙物理。在操作中你會(huì)立刻遇到第一個(gè)坑光學(xué)元件的對(duì)準(zhǔn)精度要求極高微小的傾斜就會(huì)引入額外的像差破壞OAM模式的純度。我的建議是從低階模式如l±1開(kāi)始耐心調(diào)整用干涉法實(shí)時(shí)監(jiān)控輸出光束的質(zhì)量這是確保實(shí)驗(yàn)成功的基石。