旋轉物體具有角動量，這一事實甚至延伸到最小的粒子，如光子。光子具有兩種不同的角動量形式：自旋角動量（SAM）和軌道角動量（OAM）。 SAM在兩個本征值之間舞動，代表右旋和左旋圓偏振，而OAM具有無限的本征值，對應于螺旋相位。當SAM與OAM結合時，我們見證了“總角動量”（TAM）的出現，這是一個光子工具箱，在激光雷達、激光加工、光通信、光計算、量子信息等領域具有廣泛的應用。

全角動量操縱器的概念結構：攜帶多個角動量模的光束通過操縱器進行濾波

正如OAM給該領域帶來了革命性變化一樣，TAM模式的高效識別和實時控制為突破性的TAM應用提供了關鍵。然而，現有的識別光子TAM狀態的方法存在局限性，包括動態范圍有限、識別精度低以及無法動態適應濾波。這些限制限制了TAM開發和應用的進展。從光子束中提取所需的TAM模式至今仍是一個未解決的難題。

據《先進光子學》報道，北京理工大學的研究人員開發了一種光子TAM操縱器，消除了障礙，實現了對SAM和OAM的按需操縱。他們的方法涉及兩個類似單元的對稱級聯：TAM分離器和TAM反轉器。這些單元由稱為解包器和校正器的專用光學元件組成，是通過細致的過程設計的。

當多TAM狀態發生時，系統在直通和選擇性阻斷情況下的性能。(a)入射光束的實驗結果；(b)上述兩種情況下的輸出光束的TAM光譜。在直通情況下，輸出圖案與輸入一致。 對于選擇性阻斷情況，放置在分離平面的空間濾波器表示為Sp2。阻斷后，這些光束的圖案從花瓣狀轉變為圓環狀。

將光子TAM操縱器想象成指揮管弦樂隊的指揮。TAM分離器將入射光束轉換成空間排列的條紋，每個條紋代表一個TAM模式。空間濾波器占據舞臺，決定保留哪些TAM模式，阻擋哪些TAM模式。

最后，TAM反轉器將分離的光束帶回空間域，完成交響樂。這種轉換過程將入射光束從空間域映射到“位置-TAM域”，以便在轉換到空間域之前進行濾波。 研究人員報告了支持識別多達42個單獨TAM模式的實驗演示。結果表明，TAM狀態選擇性能良好，這使其對高速大容量數據傳輸和高安全性光子加密系統特別有吸引力。它還為高保真光子計算和量子雷達信號處理提供了新的視角。

編輯：黃飛