关键词：
光的角动量
横向自旋
自旋-动量锁定
摘要：
自旋角动量是电磁场的基本动力学性质,在光与物质的相互作用中扮演者重要的角色,按其性质又可以分为纵向分量和横向分量。其中,纵向自旋是与电磁场螺旋度相关的分量,方向与局部波矢量平行,在各领域内的研究与应用已趋于成熟,而垂直于光传播方向的横向自旋近年来才在光学领域中得以发展。作为与螺旋度无关的自旋分量,横向自旋在物理上起源于光场中不均匀分布的动量,其方向与局部波矢量垂直,并被场的动量锁定,从而产生了光学自旋-动量锁定的概念。基于这些独特的物理性质,横向自旋引发了人们在各个领域内的相关探索,例如光学操纵、激光冷却、单向波导、成像和通信等。
然而,对于绝大多数光场,自旋主要被其中的纵向分量所主导。例如,紧聚焦光束中的横向自旋被限制在一个狭窄的区域内,而纵向自旋则可以广泛分布于全空间。此外全反射,表面态,单向波导等倏逝场中产生横向自旋高度依赖于介质且仅在近场范围内生效。基于此,我们致力于阐明电磁场产生纯横向自旋的机理,并探索具有全空间分布纯横向自旋的光场,主要研究内容具体如下:
1、基于光的电磁场理论,分析了任意数量平面波干涉的自旋与动量。结果表明:当且仅当所有平面波位于同一个平面内且具有相同的线偏振时,干涉场为纯横向自旋场,此时总自旋被场的动量锁定。将平面波替换为实验中常用的高斯光束,干涉场中的自旋依旧以横向自旋为主导,纵向自旋近似为零。并且,高斯光束的束腰半径越宽,干涉场中的自旋行为与平面波干涉的情形越接近,表明理论在实验中具有可行性。此外,即使在束腰半径较窄的情况下,高斯光束干涉中依然可以近似的观测到纯横向自旋,这表明由干涉产生的纯横向自旋具有良好的鲁棒性。该工作阐明了干涉场产生纯横向自旋的机制,突破了倏逝场中纯横向自旋的近场限制,给出了全空间自旋-动量锁定的实例,为横向自旋的相关研究与应用提供了全新的平台,已在物理类Top期刊《Physical Review B》上发表。
2、分析矢量Bessel光束中的自旋,并给出具有纯横向自旋的光束解。该横向自旋在柱坐标中沿着径向或方位角向。对比于传统的紧聚焦光束,由于Bessel光束的无衍射性,横向自旋理论上可以分布于全空间,而非特定的焦平面。此外,在Bessel光束中,局部电磁场围绕垂直于光束传播的横轴振荡,在某些位置,局部偏振椭圆退化为完美的圆形,导致光束中圆偏振点呈现非平凡的环状周期结构。该研究为传播的纯横向自旋提供了解析的实例,为利用横向自旋传递信息提供了理想的平台。
3、基于前述的理论成果和几何相位的原理,我们设计了一种单层全电介质超表面,可以将线偏振光转换为具有纯横向自旋的Bessel光束。通过切换入射光的不同线偏振态,散射Bessel光束的偏振也被切换,从而影响到光束中纯横向自旋的分量占比。此外,由超表面产生的Bessel光束也具有周期性的局部偏振分布,与理论分析互为印证,保证了结果的可靠性。该工作加深了我们对自旋相关物理的理解,并为超紧凑、扁平、多功能纳米光子平台中横向自旋的研究和应用开辟了新途径,已在光学类Top期刊《Optics Express》上发表。
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