北京理工大学的研究人员开发出一种光子 TAM 操纵器，可有效利用光子角动量，为数据传输、加密和量子信号处理开辟了新途径。新技术实现了角动量模式的高效识别和实时控制。

旋转物体携带角动量，这一特性也延伸到最微小的粒子，如光子。光子拥有两种不同形式的角动量：自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）。自旋角动量在两个特征值之间舞动，代表左右圆极化，而轨道角动量则有无限个特征值，对应于螺旋阶段。当 SAM 与 OAM 结合在一起时，我们就见证了"总角动量"（TAM）的出现，这是一个光子工具箱，应用领域广泛，涵盖激光雷达、激光处理、光通信、光计算、量子信息等。

正如 OAM 为该领域带来的革命性变化一样，TAM 模式的高效识别和实时控制也为 TAM 的突破性应用提供了关键。然而，现有的识别光子 TAM 状态的方法有其局限性，包括动态范围受限、识别精度低以及无法即时调整滤波。这些制约因素限制了 TAM 的开发和应用进展。从光子束中提取所需的 TAM 模式至今仍是一个未解之谜。

总角动量操纵器的概念结构：携带多种角动量模式的光束通过操纵器进行过滤。资料来源：Li 等人，doi 10.1117/1.AP.5.5.056002。

据《先进光子学》（Advanced Photonics）杂志报道，北京理工大学的研究人员开发出了一种光子 TAM 操纵器，它消除了障碍，实现了对 SAM 和 OAM 的按需操纵。他们的方法涉及两个类似单元的对称级联：TAM 分离器和 TAM 反向器。这些单元由被称为解包器和校正器的专用光学元件组成。

我们可以将光子 TAM 操纵器想象成一个指挥家，领导着一个由光线组成的交响乐团。TAM 分离器将进入的光束转换成空间排列的条纹组合，每个条纹代表一种 TAM 模式。空间滤波器开始工作，决定哪些 TAM 模式需要保留，哪些需要屏蔽。最后，TAM 反向器将分离的光束带回空间域，完成这首交响乐。这一转换过程将入射光束从空间域映射到"位置-TAM 域"，便于在转换到空间域之前进行过滤。

当多 TAM 状态入射时，系统在直通和选择性阻断情况下的性能。(a) 入射光束的实验结果；(b) 上述两种情况下输出光束的 TAM 光谱。在直通情况下，输出模式与输入模式一致。对于选择性阻断情况，放置在分离平面上的空间滤波器为 Sp2。阻挡后，这些光束的图案从花瓣形转变为甜甜圈形。资料来源：Li 等人，doi 10.1117/1.AP.5.5.056002。

研究人员报告的实验演示支持识别多达 42 种单独的 TAM 模式。研究结果表明，TAM 具有良好的状态选择性能，因此对高速大容量数据传输和高安全性光子加密系统特别有吸引力。它还为高保真光子计算和量子雷达信号处理提供了新的视角。