Neue Technik ermöglicht präzise Kontrolle des photonischen Drehimpulses

Rotierende Objekte tragen einen Drehimpuls; Diese Tatsache erstreckt sich sogar auf die kleinsten Teilchen, wie zum Beispiel Photonen. Photonen besitzen nicht nur eine, sondern zwei unterschiedliche Formen des Drehimpulses: Spindrehimpuls (SAM) und Orbitaldrehimpuls (OAM).

SAM tanzt zwischen zwei Eigenwerten, die rechts- und linkszirkulare Polarisationen darstellen, während OAM unendliche Eigenwerte hat, die der Spiralphase entsprechen. Wenn sich SAM mit OAM vereint, erleben wir die Entstehung des „Total Angular Impulsum“ (TAM), eines photonischen Werkzeugkastens mit umfangreichen Anwendungen, die Lidar, Laserbearbeitung, optische Kommunikation, optisches Rechnen, Quanteninformation und mehr umfassen.

So wie OAM das Feld revolutioniert hat, bieten die effiziente Erkennung und Echtzeitsteuerung von TAM-Modi Schlüssel für bahnbrechende TAM-Anwendungen. Bestehende Methoden zur Erkennung von Photonen-TAM-Zuständen weisen jedoch Einschränkungen auf, darunter einen eingeschränkten Dynamikbereich, eine geringe Erkennungsgenauigkeit und die Unfähigkeit, die Filterung im laufenden Betrieb anzupassen. Diese Einschränkungen begrenzen den Fortschritt der TAM-Entwicklung und -Anwendung. Die Extraktion gewünschter TAM-Moden aus einem Photonenstrahl war bisher ein ungelöstes Rätsel.

Wie berichtet in Fortgeschrittene PhotonikForscher des Beijing Institute of Technology haben einen photonischen TAM-Manipulator entwickelt, der Barrieren beseitigt und eine bedarfsgesteuerte Manipulation von SAM und OAM ermöglicht. Ihr Ansatz beinhaltet die symmetrische Kaskadierung zweier analoger Einheiten: des TAM-Trenners und des TAM-Umkehrers. Diese Einheiten bestehen aus speziellen optischen Elementen, den sogenannten Auspackern und Korrektoren, und werden in einem sorgfältigen Prozess entwickelt.

Stellen Sie sich den photonischen TAM-Manipulator als Dirigenten vor, der ein Orchester aus Licht leitet. Der TAM-Separator wandelt den einfallenden Strahl in ein Ensemble räumlich angeordneter Streifen um, die jeweils einen TAM-Modus darstellen. Ein räumlicher Filter übernimmt die Bühne und bestimmt, welche TAM-Modi beibehalten und welche blockiert werden sollen.

Schließlich bringt der TAM-Umkehrer die getrennten Strahlen zurück in den räumlichen Bereich und vervollständigt so die Symphonie. Dieser Transformationsprozess ordnet den einfallenden Strahl aus der räumlichen Domäne der „Positions-TAM-Domäne“ zu, um eine einfache Filterung vor der Umwandlung in die räumliche Domäne zu ermöglichen.

Die Forscher berichten über experimentelle Demonstrationen, die die Erkennung von bis zu 42 einzelnen TAM-Modi unterstützen. Die Ergebnisse veranschaulichen die gute TAM-Zustandsauswahlleistung, was es besonders attraktiv für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungen mit großer Kapazität und hochsichere photonische Verschlüsselungssysteme macht. Es bietet auch neue Perspektiven für die hochauflösende photonische Berechnung und die Verarbeitung von Quantenradarsignalen.