散射系统对光自旋和轨道角动量相互转换的主动控制

01

简  介

角动量是物理粒子最基本和最重要的性质之一，可分为自旋角动量（SAM）和轨道

角动量（OAM），光学SAM和OAM已被证明在各个领域都非常有用，当携带SAM

的圆偏振光与介质相互作用时，光的SAM会发生变化，从而触发旋光效应，这普遍

应用于粒子和生物细胞的操纵。自涡旋光束被发现携带OAM以来，已被证明在经典

和量子领域都有广泛的应用，通过使用携带OAM的涡旋光束作为信息载体，可以极

大的增加光通信容量。

SAM和OAM之间的转换本质上是不同自由度光场之间的耦合。它突破了传统光学中

不同角动量只能被单独调节的局限性。不同角动量之间的耦合已被证明可用于多态磁

化的光学控制，光学纳米探测，量子计算的多态信息编码以及光通信等。角动量转换

在量子计算和光通信的多状态信息编码中特别有价值。

在复杂的环境中，光在散射介质中的强散射效应占主导地位。这种散射介质具有混沌

无序的内部结构，随机改变了光的原始传播和偏振方向。光的散射效应一直被视为光

实际应用的障碍。不同角动量通道之间的信息转换将受到散射介质的严重破坏。从另

一个角度来看，散射介质中丰富的光学过程也使其成为在适当调节下实现角动量转换

的有前景的工具。根据之前的研究，尽管散射系统是混沌的，但入射光和散射光的波

前信息之间存在紧密的对应关系。受此启发，课题组提出了基于反馈的波前整形

（FBWS）方法来处理这个问题。它结合了空间光调制器（SLM）和数学算法来实现

局部最优解。

本文借助FBWS方法，通过实验实现了强散射介质对光的自旋和轨道角动量转换的主

动控制。考虑到耦合转换控制可以应用于相同的自由度或不同自由度之间，课题组通

过散射系统实验实现了四类角动量转换分类，包括OAM-OAM、OAM-SAM、

SAM-SAM和SAM-OAM的转换。随着遗传算法的运行，每个转换过程中的目标函数

都得到了显著增加，并趋近于一个稳定值。这些可重复且稳定的实验结果验证了散射

介质中的角动量转换过程是灵活可调的。

02

理论分析

图1 散射介质的角动量转换过程的物理原理和示意图。

图1描述了散射介质中角动量转换过程的物理原理和示意图。SLM上的入射光

波阵面可以划分为m×n个大小相同的像素，如图1（a）所示。如图1（b）所示，

单个调制单元中的不同调制相位会改变散射介质内的光路（r，r’…），从而导

致角动量转换的强度不同。如图1（c）和1（d）所示，基于上述理论给出了散

射系统中角动量转换的相干控制示意图。入射光将受到SLM调制和散射介质散

射效应的共同影响，最终通过不断优化转化为从散射系统另一端发射的目标状

态。散射系统两端的光状态可以灵活地改变，无论是携带偏振信息的SAM还是

携带涡流相位的OAM。

A

03 实验0303从03

03 实验OAM转换为SAM或AM

实验装置如图2（a）和2（b）所示。图2（a）是OAM态产生装置。

图2（b）所示是散射后OAM的调制与探测装置。

图2（c）是OAM-SAM转换的调制与探测装置。使用的SLM是UPOLabs

的纯相位液晶调制器HDSLM80R型号。

图2 (a) OAM态产生装置。(b) OAM的调制与探测装置。

(c) SAM的调制与探测装置

在实验中，课题组将亮点区域设置为目标区域。目标区域中平均光强度的变化

反映了散射介质后相应的OAM状态强度。

图3（a）-3（d）和3（i）是OAM-OAM转换过程的实验结果。图3（a）-3（d）

的左图是携带OAM的涡流束的强度分布。中间图像是优化前不同OAM光穿过散射

介质后的强度分布。红色圆圈标记了通过上述校准过程确定的目标区域。将目标区

域的强度设置为目标函数。优化结果如图3（a）-3（d）的右图所示。

图3 (a)-(d) 不同拓扑荷数的实验结果，l=4,6,8,10。

从左到右分别是OAM态，散射前的强度分布和散射后

的强度分布。(i) OAM转换的强度变化曲线。

(e) l=2的涡旋光的强度分布. (f) 散射后的强度分布。

(g) 优化后的强度分布。(h) 旋转偏振片方向后的强度分布。

(j) SAM转换的强度变化曲线。

在优化过程中，目标区域的光强随着优化次数的增加而不断增加。最后，

目标区域出现了一个非常明显的亮点，这意味着输出光具有目标拓扑电

荷的OAM。目标区域变化的相应强度曲线如图3（i）所示。不同颜色的

曲线表示不同目标拓扑电荷的结果。总体而言，强度保持上升趋势，并

达到局部最大值，这与预期一致。从图3（i）的实验结果可以看出，由

于强散射介质完全破坏了不同OAM波束的波前信息，增强因子与输出

OAM态没有显著相关性。这种散射效应是随机和无序的。因此，在

这种随机过程中，不同拓扑核分量对角动量转换的作用被平均化，这

使得强度曲线与拓扑电荷基本无关。

图3（e）-3（h）和3（j）显示了OAM-SAM转换的实验结果。偏振器的

光轴被预设为与散射光的左圆偏振分量相对应的水平方向。图3（e）显示

了涡旋光束的强度分布。如图3（f）为散射后的强度分布，3（g）为优化

后的强度分布。优化后，目标区域出现亮绿点。相关强度增长曲线如

图3（j）所示。上述实验结果证明，目标区域散射光的左圆偏振分量得到

了显著优化并得到增强。

B

从SAM转换为SAM或OAM

SAM-SAM转换的相应实验装置如图4（a）和4（b）所示。图4（a）

是SAM态的产生装置。SAM-SAM转换的调制与探测装置如图4（b）

所示。实验过程相当于用SAM对光进行空间相位调制。在散射介质之后，

偏振态探测装置与OAM-SAM实验中的偏振态探测装置相同。在FBWS的

帮助下，散射光不断优化为右旋圆偏振光。实验中控制的最后一个光学过程

是自旋轨道相互作用。相应的实验装置如图4（a）和4（c）所示。

图4. (a) SAM态的产生装置。(b) SAM的调制与探测装置。(c) OAM的调制与探测装置。

在这个实验中，以火花图案中心半径为20像素的圆形区域作为目标区域。

将这个圆形区域的平均光强度设置为目标函数。图5（a）和5（b）分别

显示了优化前后CCD上接收到的强度分布。实验结果与图5（d）所示的

强度曲线非常吻合。如图5（c）所示，绿点几乎完全消失，这表明散射

光的偏振方向发生了反转。

图5. SAM-SAM与SAM-OAM转换的实验结果。

SAM-OAM的实验结果如图5（e）-5（h）所示。在校准过程和确定目标

区域后，将散射介质添加到光路中，散射斑点图案如图5（e）所示。优化

结果如图5（f）所示。与右圆偏振光对应的目标区域中的光强度已经显

著增强。然后将偏振器调整到水平方向，光的强度分布如图5（g）所示，

其中原始的亮绿点消失了。在对散射系统进行主动优化和控制后，散射光

几乎被调制成右旋圆偏振光。图5（h）是SAM-OAM转换中强度随世代

增加而变化的曲线。在优化过程结束时，光强的增长速度明显减慢，

整个曲线明显收敛。

04

结  论 

课题组报道了在FBWS的帮助下，散射系统对光的自旋和轨道角动量相互转换的

主动控制，从理论上解释了FBWS如何控制散射系统中的角动量转换。此外，

在FBWS的帮助下，散射系统有可能成为一种可变的角动量转换元件，可以有效地

突破以往元件的局限性，包括有限的转换函数和高要求的几何结构。它还为经典和

量子光通信铺平了道路，特别是在散射效应通常会破坏光信息的复杂环境下。此外，

课题组不仅实现了散射介质中一个单自由度的耦合控制，还实现了不同自由度之间

的耦合控制。这种异质自由度耦合可以在复杂环境中直接建立高维自由度光信道转换。

论文信息：

Zhengyang Mao, Haigang Liu, and Xianfeng Chen, Active Control of Interconversion of Spin and Orbital Angular Momentum of Light by a Scattering System, Phys. Rev. Applied 18, 024061(2022)

DOI:10.1103/PhysRevApplied.18.024061

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