光子的轨道角动量及应用巩龙延

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光子角动量及其应用前景

的概念，尤其是对拥有方位角为 exp(ilφ ) 的 LG 光束[1] ，对于线偏振光，用麦克斯韦方程
计算可以得到每个光子所带的轨道角动量是 lh ，当光是圆偏振的时候，每个光子的总角动
量是 (l ± 1)h 。因为 LG 模具有明确的角动量，他在量子信息存储、微米粒子的光学导引、
光学马达和激光囚禁与操控等方面有广阔的应用前景，并且可以作为光学导管、光学镊子和光学扳手（光学螺旋钳）。LG 模的一个重要特征是具有是螺旋相位波前[21], 绕光束传播
角动量的高斯-厄米光束（Hermite-Gaussian，HG 光束）经过一对柱面透镜变换后可以转换为具有轨道角动量的 LG 光束[2]。本文就光场角动量的基本概念、LG 模的基本特点及产生方法、轨道角动量的应用前景作简单介绍。
2. 电磁场中的角动量
电磁场是一种物质形态，在空间是连续分布的，它具有能量、线动量和角动量。这些量是守恒量，这种守恒性可以由密度和密度流的连续性方程来体现。电磁场中的角动量密
J =L+S
（7）
其中
-2-

（8a） (8b)
∑ ∫ L = ε 0
d
V
3rE⊥
j
(r
×
∇
)A⊥
j
,
j
∫ S = ε 0
d
V
3
rE
⊥
× A⊥,
这里的 ⊥ 符号表示场的横向成分（任何场 F 的横向成分满足 ∇ ⋅ F⊥ = 0 ），因为 L 和 S 是矢
（12）
[ ( ) ] [ ( ) ] u
LG nm
(r,φ
,
z
)
=
C LG nm
(1
w)exp − ik

光子的轨道角动量及应用-巩龙延

A1. Pioneering work For a linearly polarized laser mode:
7
Getting started on Orbital Angular Momentum of Light
A1. Pioneering work
8
Getting started on Orbital Angular Momentum of Light
(III)Pitch-Fork Hologram
Modulator: phase
Ref. PHD_2011 B.Jack
28
Making helical phasefronts B2. Hologram
(III)Pitch-Fork Hologram
Modulator: phase
29
Making helical phasefronts B2. Hologram
17
Getting started on Orbital Angular Momentum of Light
A3.Amplitude and phase
18
Outline
Getting started on Orbital Angular Momentum of Light
Making helical phasefronts Application Conclusions
Making helical phasefronts B2. Hologram
24
Making helical phasefronts B2. Hologram (I)Blazed diffraction grating:
Ref. PHD_2011 B.Jack

(完整word)光子轨道角动量的物理解释及其产生方法

轨道角动量的物理性质及其产生方法轨道角动量的物理性质早在1909年波印廷就预言圆偏振光具有能量比为的角动量。

而且如果有线偏光转化为圆偏光，则必定存在与光学系统角动量的交换。

这一假说最终被Beth在实验中证实。

他将一个半波片用石英光纤悬挂起来，然后将一束右旋圆偏光耦合进光纤中，最终传输到半波片上的光由原来左旋圆偏光改变为左旋圆偏光。

根据动量守恒条件，光束中每个光子的的旋转角动量就会被传递到半波片上。

实验结果表明半波片的扭矩在大小和正负号上与光的波动和量子理论结果完全一致,这就证实了圆偏光具有旋转角动量（spin angular momentum，SAM）.根据光的量子理论，一束光具有的旋转角动量为:(为光子的个数），一束光具有的能量为:（为光的频率，N为光子的个数）,所以光子的旋转角动量与能量的比值为,而Beth的方法也被用于测量光子的旋转角动量。

在二十世纪五十年代以前，科研工作者将原子都看做是二能级系统,也就是说每一个辐射的光子载有大小的角动量.后来人们发现原子有更高能级的跃迁，例如有的原子有四能级跃迁。

为了保持动量守恒,要求辐射的光子载有数倍于的角动量。

因此除了旋转角动量以外，还存在独立于它的一个角动量，人们把它名为轨道角动量（orbital angular momentum，OAM）。

在Allen等人1992年发表的一篇文章中证实了OAM是所有具有螺旋相位（）的光束的自然属性，而且这种光束也很容易产生。

螺旋波阵面会形成一个个分布在光束中心轴线上的相位奇点。

相位奇点的能量和动量的大小为零,因此也就不存在角动量。

所以相位奇点本身并没有轨道角动量，而是围绕相位奇点的光线具有轨道角动量。

光具有波粒二象性，它的粒子特性告诉我们每个光子具有大小的动量，我们把它称作线性动量。

对于圆偏光而言,还具有大小为的旋转角动量。

而当光具有的螺旋相位时，则它具有大小为的轨道角动量。

从这里我们可以看出轨道角动量数倍于角动量.角动量与线性动量的关系可以用数学表达式表述为,这里为光子的矢径,为光子的线性动量,代表叉乘。

光子轨道角动量的应用与发展

【创新之路】Way of Innovation众所周知，光是一种物质，它总是沿直线传播。

人类自古以来就研究光，而漩涡光束直到1992年才在荷兰莱顿大学被Allen等人发现。

科学家看到一个有趣的现象：在漩涡光束中，光线不是直线传播，而是以螺旋线的形式，在一个空心的圆锥形光束中传播。

因此，这种光束看起来像一个漩涡或龙卷风，其中的光线可以向左或向右扭转。

光子可以携带轨道角动量，这一科学发现推动了多个学科新的发展，如非线性光学、量子光学、原子光学、微观力学、微流学、生物科学和天文学等，漩涡光束同时也被开拓并广泛应用于多个新的领域，如光通信、光学捕获、光学微操控、显微检查和量子信息处理等。

漩涡光束发现20年来，传统上一直用各种体光学元件，例如柱状透镜、某些特殊波片、全息片、空间光调制器等来产生这种光束，但在很小区域内需要大量漩涡光束的情况下，非常不方便，阻碍了大规模应用。

中山大学的蔡鑫伦教授、余思远教授等人发明了一种硅基的平面光波导光子轨道角动量发射器，可以在几个微米的尺寸下产生涡旋光束，打破了传统光学元件的局限性，有很好的应用前景。

光子轨道角动量应用的发展历程光子以光速运动，并具有能量、动量和质量。

光子的动量可以分为线性动量和角动量，光子的线性动量方向与光的传播方向平行，当一束光入射到垂直传播方向的物体时，光对物体会产生一个压力，称为光压。

这个压力虽然非常小，但是非常有用，宏观上可以制作太阳帆，利用光压作为太空航行器源源不断的动力，微观上可以利用光压的梯度进行微粒的操控。

光子的角动量最先被熟知的是自旋角动量，它是光子的内禀角动量，关于自旋的确切物理含义比较复杂，可以简单地想象为是光子在绕自身旋转。

光子的自旋角动量只可能有两种取值+与-，其中是一个非常小的常数，称为约化普朗克常数。

在空间上，光子自旋角动量的这两种取值分别对应于右旋圆偏振与左旋圆偏振。

另外，光子还可以具有轨道角动量（Orbital AngularMomentum, OAM）。

轨道和自旋合成总角动量课件

在粒子物理中的应用
在粒子物理中，轨道和自旋合成总角动量用于描述粒子的运
动状态和相互作用。
通过对粒子运动状态的分析，可以深入了解粒子之间的相
互作用机制和基本物理规律。
轨道和自旋合成总角动量在粒子物理中的研究有助于推动物理学的发展，并为其他领域提
供基础理论支持。
在光学领域的应用
在光学领域，轨道和自旋合成总角动量用于描述光子的运动状态和偏振状态。
轨道和自旋合成总角动量在光学领域的研究有助于推动光子技术的发展，促进光子在信息处理、通信和传感等领域的应用。
利用轨道和自旋合成总角动量，可以实现更高效、更灵活的光子操控，为光学通信、光学计算和光学传感等领域提供新的技术手段。
光学
轨道角动量在光学中用于描述光束的拓扑结构和光与物质的相互作用。
02
自旋角动量
定义与特性
定义
自旋角动量是指粒子自旋时所具有的动量，与粒子的自旋方向和自旋速度相关。
特性
自旋角动量是矢量，具有方向性，其大小与粒子的自旋速度和自旋半径相关。
自旋角动量的分类
01
根据自旋量子数的不同，自旋角动量可分为三种类型：自旋-1/2、自旋-1和自旋-3/2等。
实验原理
在量子力学中，轨道角动量和自旋角动量是两个重要的概念。轨道角动量描述的是粒子在空间中的运动状态，而自旋角动量描述的是粒子的自旋状态。这两个角动量可以合成总角动量，遵循特定的数学规则。
实验步骤与操作
实验步骤一
准备实验器材，包括粒子源、磁场、探测器等。
实验步骤二
通过磁场控制粒子的自旋状态，并观察记录粒子的自旋角动量。
轨道和自旋合成总角动量课件
• 轨道角动量 • 自旋角动量 • 轨道与自旋合成总角动量 • 轨道和自旋合成总角动量的实验验证 • 轨道和自旋合成总角动量在现实生活中的应用

光子角动量发展及应用

北京航空航天大学课程名称：非线性光学学院：物理科学与核能过程学院姓名：张浩学号：SY1119222光子角动量发展及应用摘要：本文介绍了光子角动量的发展，早在1909年，Poyatmg就认识到光具有角动量—自旋角动量，并将光的角动量与光波的偏振联系起来。

1936年，princeton大学的Beth等人根据四分之一波片可改变圆偏振旋向的性质，利用力学实验巧妙地验证了左、右圆偏振光子分别具有自旋角动量± [4]。

1992年，Leidon大学的Allen等人才认识到了光子也可以携带另一种形式的角动量——轨道角动量。

最后介绍了近年来带有明确角动量的光束高斯一拉盖尔(Laguerre—Gaussian beam，LG光束)光束。

带有角动量的光束可以对微米粒子产生力的作用，进而控制微米粒子。

带有轨道角动量的LG模和像散高斯光束，兼有光学镊子和光学扳手的双重功能。

关键词：角动量，轨道角动量，拉盖尔—高斯1.引言光是非常有趣的，因为我尚未完全地知道它究竟是什么，它的某些属性还令人捉摸不定。

光是什么?这是数百年来人们一直在探索的问题。

1666年，英国物理学家Newton提出了光的微粒说(Corpuscular theory)，把光描绘成为从发光物体发射出来的，作高速运动的一种非常细小的粒子。

1679年，荷兰物理学家Huygens提出了光的波动说，他认为，光是在充满空间的特殊介质“以太”(ether) 中传播的某种弹性波。

Huygens还发现了方解石中光的偏振现象。

但由于Newton 是当时的权威科学家，因此，微粒说一直占上风。

直到1801年，英国物理学家Young做了著名的杨氏双缝干涉实验，1819年法国物理学家Fresnel又用波动理论解释了光的传播和衍射，光的波动说才渐渐为人们所接受。

1861．1862年，英国物理学家Maxwell根据他发现的麦克斯韦方程组大胆预言：光是一种电磁波。

他的预言随后被德国物理学家Hertz的实验所证实。

轨道角动量量子力学

轨道角动量：探究微观世界的奇妙旋转1. 引言在量子力学的世界里，微观粒子以一种奇特而又令人困惑的方式旋转着。

这种旋转被称为轨道角动量，是研究微观世界的重要工具之一。

本文将深入探讨轨道角动量在量子力学中的重要性，以及它所带来的深入解析和理解。

2. 轨道角动量的概念轨道角动量是描述微观粒子运动状态的物理量之一，用来描述粒子沿固定轨道运动时的旋转运动。

在量子力学中，轨道角动量的大小和方向是量子化的，它的量子数决定了粒子所处旋转状态的特性。

在经典物理学中，轨道角动量的定义为L=mvr，其中m是粒子的质量，v是粒子的速度，r是粒子绕某个轴旋转的半径。

然而，在量子力学中，轨道角动量的情况变得更加复杂。

根据量子力学的理论，轨道角动量不再仅仅是一个简单的物理量，而是一个由一系列由哈密顿算符的本征向量所构成的完备集。

这些本征向量对应着不同的量子态，不同的量子态对应着具有不同角动量的粒子。

3. 轨道角动量量子化根据量子力学的理论，轨道角动量的大小由量子数l决定，量子数l的取值范围为0到无穷大。

每个量子数所代表的角动量大小为√l(l+1)ℏ，其中ℏ是约化普朗克常数。

对于给定的量子数l，轨道角动量的投影量子数m的取值范围为−l,−(l−1),...,l−1,l。

每个投影量子数对应着轨道角动量在空间中的方向。

这个量子化的特性将粒子的旋转状态分为多个离散的状态，这与经典物理学中连续的旋转状态形成鲜明对比。

4. 轨道角动量在原子物理中的应用轨道角动量在原子物理中扮演着重要的角色。

事实上，通过对轨道角动量的研究，科学家们能够更深入地了解原子的性质和行为。

轨道角动量解释了为什么原子中的电子在某些情况下会呈现环状的运动轨道。

根据量子力学的理论，对于给定的原子能级和量子数，电子将固定在特定半径的轨道上旋转。

这些轨道在空间中形成了一个奇特的“云”状分布，这也是我们熟知的原子壳层模型的基础。

轨道角动量解释了为什么原子中的电子在不同壳层具有不同的能级和性质。

光的自旋和轨道角动量

1引言
由经典的麦克斯韦方程组可知光是一种电磁波，具有能量和动量。动量可以分为线动量和角动量，角动量包括由偏振性决定的自旋角动量(SAM)和由光场空间分布决定的轨道角动量(OAM)。光与物质相互作用时不可避免地存在动量的交换。在一些情况下，会表现出较明显的力学效应。
涡旋光束与平面波的干涉图都具有叉形干涉条纹，是判断光束涡旋性质最常用的方法。反之，利用叉形干涉条纹的全息图或衍射光学元件生成涡旋光束也是一种简便的方法。 [12] 衍射光学元件可以是一个简单的衍射光栅，光栅中包含与入射光光轴共线的相位奇点，其一级衍射具有环状强度剖面结构，这是涡旋光束的共同特点。这种光束的光学相位奇点已经得到广泛研究，也称为光学涡旋。但在之前的光学相位奇点研究中，很 [13] 少对其角动量特性进行测量。现在，这种衍射光学元件可以方便地通过计算机制全息图进行设计，并通过液晶空间光调制器显示来控制涡旋光束的生成，已成为多数实验室采用的普遍方法。虽然实现起来简单，但这种方法生成的涡旋光束只是近似 LG 模式。最近，叉型衍射光栅已经应用于显微术中，通过对其点扩展函数增加一个螺旋相位，实现图像的边缘增强。 [14]

光子的偏振特征及应用-巩龙延

E. Wave plates
38
Polarization Devices
E. Wave plates
39
Polarization Devices
E. Wave plates
40
Polarization Devices
F. Beam splitters
41
Polarization Devices
12
Polarization of light
• A2. Linearly polarized light
13
Polarization of light
• A3. Circular Polarized light
14
Polarization of light
• A4. Poincaré sphere
•circularly polarized
Note: From the perspective of polarization, paraxial waves may be approximated by plane waves and described by a single polarization ellipse (or circle or line).
F. Beam splitters
42
Polarization Devices
43
44
19Байду номын сангаас
Polarization of light
• B3. Matrix representation of polarization devices
20
Polarization of light
• B3. Matrix representation of polarization devices • Linear polarizers

自旋角动量轨道角动量总角动量关系

自旋角动量、轨道角动量和总角动量是量子力学中经常讨论的重要概念。

它们之间的关系不仅在物理学中有着重要的意义，也涉及到了许多其他领域的问题。

在本文中，我将就自旋角动量、轨道角动量和总角动量之间的关系展开一次深入的探讨。

1. 自旋角动量自旋是微观粒子特有的一种内禀角动量，它不同于经典物理学中的角动量，是一种全新的物理量。

自旋可以用量子数s来描述，通常s=1/2的被称为自旋1/2粒子。

自旋对应了一个新的角动量，即自旋角动量，它是粒子旋转所带来的一种内禀角动量。

自旋角动量与粒子的自旋状态有关，具有两个投影方向，即自旋向上和自旋向下。

自旋角动量的测量值只能为ħ/2或-ħ/2。

2. 轨道角动量在量子力学中，电子在原子内的运动可以用波函数来描述，其中的位置坐标和动量算符是对易的。

由此，我们可以得出一个非常重要的结论：轨道角动量和位置、动量算符对易。

轨道角动量的大小由量子数l 来描述，取值范围为0到n-1，其中n是主量子数。

轨道角动量与电子的轨道运动有关，它的取值是量子化的，即ħ*√(l(l+1))。

轨道角动量在经典力学中对应了电子围绕原子核运动时所具有的角动量。

3. 总角动量总角动量是自旋角动量和轨道角动量之和，它对应了量子力学中的角动量算符。

总角动量的大小和夹角与自旋角动量和轨道角动量的大小和夹角有关。

总角动量的量子数可以用j来描述，其取值范围是|l-s|到l+s。

总角动量量子数的取值是离散的，而且总角动量和自旋角动量的测量值之间有一些特殊的关系。

在量子力学中，自旋角动量、轨道角动量和总角动量之间存在着一些非常有趣的关系。

通常来说，总角动量算符的本征态是由自旋和轨道角动量算符的本征态进行耦合得到的。

而总角动量和自旋角动量（或轨道角动量）之间还存在着一些相互影响和制约的关系。

对于原子中的电子来说，总角动量可以影响到能级的分裂和跃迁等现象，从而导致原子的一些特殊性质。

自旋角动量、轨道角动量和总角动量是量子力学中非常重要的概念，它们之间的关系涉及到了许多量子系统的性质和行为。

光子角动量

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晶片的光轴与 x 轴间的夹角为，入射光为一个角频率为 ω 的平面电磁波，其椭圆度为的偏振光电场矢量表示为：
E E0eit cos x i sin y

(1)
入射光施加在晶片单位面积上的扭转力矩： (2) 光束从晶体后端面(z=d)出射时，o 光和 e 光之间的位相差改变了 Δ = kd(no－ne)。根据角动量守恒定律，光束角动量的变化作用在厚度为 d 的粒子的单位面积上所引起的力矩为。平衡时所受粘滞力矩为 C ，其中 C 是阻力系数，是转动的角速度。
2 2 2
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为了满足物理上时空不变的特性，要求 i , 均为“常数算符” 上面方程组说明，只要找到合适的 i , 就可以得到一组表象下得Dirac Equation 作一次量子化（同前），可以得到
ih t ( p m0c)
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Experience
R.A.Beth 于1936年第一次在实验上观察光致旋转现象
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一束左旋圆偏振光束通过由细丝悬挂着的半波片，这种左旋圆偏振光的每个光子携带有角动量，当它通过半波片以后，变为右旋圆偏振光，这意味着，波片从一个光子那里得到了的角动量。这样，由光束（或光子流）的强度即可算得在单位时间里传给该波片的角动量，即施加在波片上的扭力矩，它使物体在光的作用下产生旋转。
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光子角动量
(Photon Angular Momentum)

光子角动量_nsfc2013a

奇异光场中光子角动量的研究二、报告正文（一）项目的立项依据与研究内容1、项目的立项依据光子角动量是光波中除了强度、相位和偏振以外的另一重要特性。

虽然不是任意光束都会存在角动量，但其具有十分重要的研究和应用意义。

近年来，对于光子角动量的研究和应用成为光学的许多领域中前沿，例如：量子光学[1,2,8]，纳米光学[3,4]，衍射光学[5,6]，非线性光学[7]等。

与经典力学相同，光子角动量被表达为r×p，其中r为光子相对参考点的位置，p为光子线动量，被定义为p=ε0E×B，ε0为电介质常数，E和B分别为电场和磁场振幅。

可以看出只有在沿轴向具有电场或磁场分布的光场可以存在角动量。

因此，对于理想情况下的平面光波场中不可能存在角动量。

但在实际光束的产生和传播过程中，电磁场在受到自身尺寸或光学器件等光瞳的影响，形成沿轴向的分量，从而具有角动量。

因此光子角动量广泛存在于光场中。

光子角动量可分为两种类型：自旋角动量和轨道角动量。

前者指光子微扰自身旋转形成的角动量；后者指光子在传输过程中围绕光轴旋转。

针对这两种角动量，两种典型的光束引起的角动量得到了大量的研究：圆偏振光束中的光子自旋角动量；具有螺旋相位结构的涡旋光束中的轨道角动量。

1909年，Poynting首次提出在圆偏振光场中存在以ħ为单位的角动量11，随后被Beth实验上通过圆偏振光旋转双折射物体证实12。

自旋角动量存在较简单的两种值+ħ或-ħ，取决于圆偏振光的旋转方向。

因此人们针对这种角动量的基础研究基本停止。

但对光子自旋角动量的应用研究取得了巨大的进展。

除了利用其进行光操控技术外13 14，圆偏振光可以利用光子自旋角动量与自旋材料相互作用控制磁序材料中电子的自旋15。

2012年，Heinz课题组在二硫化钼单层材料上利用圆偏振光开创了对valley自由度（valleytronics）的控制的可能性16。

光子轨道角动量真正引起人们注意是在1992年，Allen等理论上预言了具有螺旋相位的光场可以产生以ħ为单位的角动量，并且该角动量可以在实验上实现7。

25所轨道角动量

25所轨道角动量全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：轨道角动量是物理学中的一个重要概念，它在描述物体在运动中的旋转时扮演着至关重要的角色。

在许多物理学领域，如天体物理学、机械运动等方面，轨道角动量都被广泛地应用。

今天我们就来探讨下轨道角动量的概念以及与之相关的一些重要性质。

轨道角动量的概念最早是由古希腊物理学家阿基米德提出的。

他发现，当一个物体在运动时，它所具有的角动量并不只是由其自身的旋转决定的，还受到外部力矩的影响。

这就引入了轨道角动量的概念，它不仅包括了物体自身的旋转运动，还包括了它在外部力的作用下所产生的角动量。

在经典力学中，轨道角动量的定义可以用以下公式表示：L = r x p其中，L表示轨道角动量，r表示物体到转轴的距离，p表示物体的动量，x表示叉乘运算。

从这个公式可以看出，轨道角动量的大小取决于物体的动量和它距离转轴的距离。

在量子力学中，轨道角动量也具有重要的意义。

根据量子力学的理论，轨道角动量是一个量子数，它取离散值，分别对应于不同的轨道状态。

在原子物理学中，轨道角动量可以解释原子的电子轨道结构和化学性质。

此外，轨道角动量还与原子的光谱结构和磁性有着密切的联系。

轨道角动量在天体物理学中也扮演着重要的角色。

在行星运动、星际尘埃云的运动等现象中，轨道角动量的守恒性质发挥着关键作用。

通过研究天体的轨道角动量，科学家们可以更好地理解宇宙中各种物体之间的相互作用和运动规律。

除了以上提到的领域，轨道角动量还在许多其他物理学领域中得到应用，如机械运动中的角动量守恒定律、凝聚态物理学中的自旋角动量等等。

可以说，轨道角动量是一种普适性极强的物理量，它贯穿于整个物理学体系的方方面面。

在实际的物理实验中，如何测量和计算轨道角动量也是一个重要的课题。

通过观察物体运动的轨迹、测量其动量和距离等数据，科学家们可以得到物体的轨道角动量，并进一步探讨物体的运动规律和性质。

通过精确测量轨道角动量，科学家们可以验证理论模型的准确性，推动物理学知识的不断发展。

2019年度江苏省科学技术奖专业组初评结果公示

中通服咨询设计研究院有限公司,北京邮电大学
16
1905201
12吋晶圆级埋入硅基板扇出型封装技术
华天科技（昆山）电子有限公司
17
1901049
航天航空高端霍尔传感器关键技术及应用
南京中旭电子科技有限公司
曹文权,钱祖平,张颖松,钟兴建,蔡洋,晋军
徐永兵,王学锋,王枫秋,刘文卿,何亮,翟亚, 杜军,黎遥,张荣
郭其昌,张真,秦小麟,屈蔷,王瑾
12
1914660
新型电磁结构微波毫米波天线与器件理论与技术
中国人民解放军陆军工程大学
13
1914563
新一代自旋电子材料微结构调控及信息器件应用基础
南京大学,东南大学
14
1914632
新一代灵活栅格光通信网络组网关键技术及应用
苏州大学
15
1901047
大容量弹性光网络多层规划与协同控制策略创新
5
1914566
面向云端融合的大规模分布式数据处理支撑平台及产业化应用
南京大学,南瑞集团有限公司,河海大学,南京大学镇江高新技术研究院
叶保留,陆桑璐,许峰,谢磊,钱柱中,李文中, 王晓亮,唐斌,张胜,俞俊,张昕
6 1914616 高性能有机半导体结构设计与调控南京邮电大学,黑龙江大学
陈润锋,黄维,许辉,郑超,陶冶,魏莹,李欢欢, 张新稳
附件
2019年度江苏省科学技术奖专业组初评候选项目
序号
项目编号
项目名称
一、电子信息及系统科学组
完成单位
完成人
1
1914504
智能功率驱动芯片设计及制备的关东南大学,无锡华润上华科技有限公司,无锡芯朋微电子股份有限公司, 孙伟锋,刘斯扬,祝靖,钱钦松,徐申,苏巍,张

光子轨道角动量在量子通信中的应用

光子轨道角动量在量子通信中的应用作者：叶瀚礼来源：《电子技术与软件工程》2017年第01期光子量子态为轨道角动量，当前阶段，有一定轨道角动量广泛的应用于通信领域，国内外都在热衷进行研究，尤其是轨道角动量已经成为空间量子信息重要的承载体，对于量子通讯产生了重大影响。

本文首先简单的介绍了光子轨道角动量以及量子通讯基本概念，进而详细的解析了光子轨道角动量在量子通讯的应用。

【关键词】光子轨道角动量量子通讯应用解析随之量子研究的逐步深入，我们对角动量有了更为清晰的认识，一般认为角动量存在轨道角动量和自旋角动量两种。

而前者为光子量子态，在量子信息加载过程中涉及到的物理量有光子相位、偏振等。

近年来，轨道角动量的应用得到了非常广泛的关注。

1 光子轨道角动量相关研究已经表明，光束本身具备两种角动量态，其一和光束偏振特点相应的自旋角动量（SAM），其二指的是和光束螺旋形相位结构存在一定关联的光子轨道角动量（OAM）。

相较于自旋角动量，光子轨道角动量具有非常明显的优势，其优势主要体现在以下两点：其一，光束偏振和光矢量存在一定的联系，在光束传输当中，必须对系统加以高效的检测，以免因为偏离而造成不必要的麻烦，但是OAM的应用无需通讯双方对参考系进行实时转换和调整；其二，OAM的维特性较强。

将OAM运用于量子密钥分发方案中，可以显著提升量子密钥生成率，同时也可以扩大安全传送距离。

类似于其他光子物理量，光子频率、光子相位、光子偏振态等，光子轨道角动量信息承载是通过信息比特编码工作实现的。

光束自身存在特定的方位角，离散轨道角动量，在表述式中I代表的是方位角相对相应的拓扑何值，通常来说I都是整数。

光子轨道角动量态以及极化态之间存在着差异，主要在于一个光子对应无数个OAM。

研究证明，拉盖尔-高斯（Laguerre-Gaussian beam ， LG）具有光子轨道角动量，在理论实验过程中，一般会采用LG 光描述OAM。

本文的分析当中也使用的是含有轨道角动量的LG 光，LG 模数字形式的描述如下：（1）在上面公式中，z为光束传送距离；r表示的是光到传送线轴的辐射距离；Zr=πw0/ λ 指的是光束自身Rayleigh长度；光束半径为w（z）= w0，languerre多项式是通过来表示，k =2π/λ指的是常数，C代表的是归一化常数，公式里下标/指的是方位，径向模式数由p来表示。

光子高阶轨道角动量制备_调控及传感应用研究进展_陈理想

© 2015 中国物理学会 Chinese Physical Society 164210-1

物理学报 Acta Phys. Sin.
Vol. 64, No. 16 (2015) 164210
地, 当 ℓ = ±3 时, 该螺旋结构还非常类似于意大利面, 如图 1 (e) 所示. 1995 年, 澳大利亚 Queensland 大学研究组首次实验观测到了轨道角动量从光束
网络出版时间：2015-07-06 14:36 网络出版地址：/kcms/detail/11.1958.O4.20150706.1436.009.html
物理学报 Acta Phys. Sin.
Vol. 64, No. 16 (2015) 164210
专题:
光子高阶轨道角动量制备、调控及传感应用研究进展∗
陈理想 † 张远颖
361005) (厦门大学物理学系, 厦门
( 2015 年 3 月 23 日收到; 2014 年 5 月 4 日收到修改稿 )
光子既是经典信息也是量子信息的理想载体. 单个光子不仅可以携带自旋角动量 (与光波的圆偏振相关), 还可以携带轨道角动量 (与光波的螺旋相位相关). 而轨道角动量的重要意义在于可利用单个光子的量子态构建一个高维的 Hilbert 空间, 从而实现高维量子信息的编码. 自 Allen 等于 1992 年确认光子轨道角动量的物理存在以来, 轨道角动量在经典光学和量子光学领域展现了诸多诱人的应用前景, 目前已成为国际光学领域的研究热点之一. 本综述将着重介绍高阶轨道角动量光束的制备与调控技术, 特别是高阶轨道角动量的量子纠缠态操控、旋转 Doppler 效应测量及其在远程传感和精密测量技术中的应用.

一种轨道角动量在大气湍流中的畸变补偿方法

一种轨道角动量在大气湍流中的畸变补偿方法作者：杨启强来源：《中国新通信》 2020年第18期杨启强中南民族大学【摘要】轨道角动量光束（OAM）因为具有特殊的螺旋波前相位，作为信息载体在自由空间中传输时可以极大地提升通信频谱效率和信道容量，引起众多学者关注与研究。

然而，在OAM光束传输系统中，由于大气湍流的影响，引起光束信号畸变，功率弥散，降低通信质量。

因此本论文提出一种基于液晶空间光调制器的OAM复用通信“预补偿”方法，将相差分布函数与液晶空间光调制器相结合，在发送端对OAM光束进行畸变校正，整体提高了OAM通信系统的通信性能。

【关键词】傅里叶光学大气湍流 GS相位恢复算法预补偿引言自1992年Allen等人发现了拉盖尔高斯光携带有轨道角动量以来，便引起了科学家的注意。

轨道角动量与其方程中的相位项exp（ilθ）有关。

轨道角动量（OAM）虽然具有多种优良的特性。

但在传输过程中受到大气湍流的影响，会造成相位扭曲失真，OAM信道展宽，功率弥散，从而影响整个通信系统的误码率，降低通信质量。

为了解决这些问题，科学家们提出了各种方法，在OAM大气传输相位变化时，采用迭代算法对相位进行补偿，在一定程度上降低了由大气湍流造成的影响。

液晶空间调制器不仅可以产生高质量的激光光束，而且具有动态、实时、相应时间快、高精度和高分辨率等优点。

因此被广泛采用。

本文采用有反射式液晶空间调制器产生涡旋光束，用透射式液晶空间调制器模拟大气湍流，从而提出了一种“预补偿”方法，在传输端对轨道角动量进行补偿。

一、实验原理及装置1.1传输模型原理图高斯光束入射到加载有初始螺旋相位图的反射式纯位相型液晶空间光调制器(SLM)面,经SLM 上初始螺旋相位图调制形成OAM光束经过大气湍流被CCD相机接收。

将 CCD相机接收到的光强信息代入 GS 算法可以得到 SLM 面上的恢复螺旋相位图，这个恢复螺旋相位图包含有初始螺旋相位图信息及像差信息，设初始螺旋相位图分布函数为 I(x，y)恢复螺旋相位图分布函数为 R(x,y) ，若恢复螺旋相位图与初始螺旋相位图旋向相同，则像差的分布函数为若恢复螺旋相位图与初始螺旋相位图旋向相反，则像差的分布函数为对于其他显示在 SLM 面上的相位图只要再加上(1)式中的像差分布函数 A(x,y）就能够对经过该液晶空间调制器上的轨道角动量光束“预补偿”。