近年来，不同角动量之间的转换受到了广泛的关注。光的角动量可分为自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）。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。OAM在经典和量子领域有着广泛的应用，例如光学微细加工，显微操作，OAM纠缠和超分辨率光学成像。更具吸引力的是，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。角动量的转换突破了传统光学中不同类型的角动量只能被单独调节的局限。不同角动量之间的耦合已被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。角动量转换过程与极化方向不均匀变换引起的Pancharatnam-Berry相有关。因此，非均匀各向异性介质成为实现角动量转换的可靠技术，如q板和超表面。然而，这些元件只能实现方向受限的角动量转换，并且极度依赖精确设计的几何结构，这限制了它们的应用，尤其是在复杂的环境中，如水下、云雾、沙尘天气等。因此，考虑到实际应用，利用散射系统实现光的自旋和轨道角动量转换的相干控制具有重要意义。

在本文中，我们借助反馈型波前整形技术（FBWS）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或不同的自由度之间，我们通过散射系统实验实现了四类角动量转换，包括OAM-OAM、OAM-SAM、SAM-SAM和SAM-OAM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着的增加，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。图1是OAM转换的实验装置图。图1(a)是OAM态的产生装置。图1(b)和(c)分别是OAM和SAM的调制与探测装置。实验中采用液晶空间光调制器（SLM）来调制光束，使用涡旋相位板（SPP）来产生与检测OAM。图2是OAM转换的实验结果图，红圈表示目标区域。图2(a)-(h)是CCD上接收到的光束强度分布图。图2(i)和(j)是目标区域的强度变化曲线。目标区域的光强度随代数的增加持续增长，并最终达到收敛。图3是SAM转换的实验装置图。图3(a)是SAM态的产生装置。图3(b)和(c)分别是OAM和SAM的调制与探测装置。图4是SAM转换的实验结果图。这项工作证明，散射系统有可能成为一种新的角动量转换元件，可以有效地突破以往元件的限制，包括受限的转换功能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学信息的复杂环境中。此外，我们在散射介质中实现了对不同自由度的耦合控制。这种异构自由度耦合可以在复杂的环境中直接建立高维自由度的光信道转换。

图1. (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

图2.(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。

图3. (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。

图4. SAM-SAM与SAM-OAM转换的实验结果。

该成果发表在 “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)”。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.18.024061