CN114355499A - 一种非偏振光产生横向自旋角动量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非偏振光产生横向自旋角动量的方法，采用双各向异性结构，所述双各向异性结构包括圆柱体，圆柱体的一个端面设置有空气圆柱孔，空气圆柱孔的端面和圆柱体端面同圆心，以圆柱体中心为原点、以圆柱体旋转轴为z轴建立空间直角坐标系；非偏振光沿垂直于z轴的方向传播，非偏振光激发出双各向异性结构中的横向自旋偶极矩，散射场产生横向自旋角动量。本发明具有简单高效的优势，扩展偏振调控在非偏振光学系统中的适用性，解决实现非偏振光产生横向自旋角动量方法局限且复杂的问题。
Description
技术领域
本发明属于微纳米光学领域，具体涉及一种非偏振光产生横向自旋角动量的方法。
背景技术
光的自旋角动量是光所具有的内禀属性，与光的偏振态有关。在自由空间中，电磁场的横向性质使得自旋角动量的方向平行于光的传播方向，即为纵向自旋角动量。与之不同的是，横向自旋角动量的方向与光轴方向垂直，其中纵向的电磁场成分起着不可或缺的作用。横向自旋角动量拓宽了光自旋轨道相互作用的研究范畴，在光学计量、光学传感、量子信息处理等领域具有广泛的应用前景。
非偏振光在自然界中是普遍存在的，它由垂直于光传播方向的各个方向的偏振态组成。近期，非偏振光的横向自旋角动量引起了人们的关注，研究表明其可通过紧聚焦光束和倏逝波产生，其中光学变换产生的纵向电磁场成分为产生横向自旋角动量提供了有利条件。实现非偏振光横向自旋角动量的难点在于如何使非偏振光中包含的正交偏振态均可产生横向自旋角动量，因此对于一般的单个结构而言很难保证非偏振光产生横向自旋角动量。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种采用双各向异性结、简单高效的非偏振光产生横向自旋角动量的方法。
为解决上述技术问题，本发明的一种非偏振光产生横向自旋角动量的方法，采用双各向异性结构，所述双各向异性结构包括圆柱体，圆柱体的一个端面设置有空气圆柱孔，空气圆柱孔的端面和圆柱体端面同圆心，以圆柱体中心为原点、以圆柱体旋转轴为z轴建立空间直角坐标系；非偏振光沿垂直于z轴的方向传播，非偏振光激发出双各向异性结构中的横向自旋偶极矩，散射场产生横向自旋角动量。
进一步的，非偏振光沿y轴传播，非偏振光等效为x轴和z轴的正交偏振光；z轴方向的入射电场激发双各向异性结构中z轴方向的电偶极矩pz，x轴方向的入射磁场激发双各向异性结构中x方向的磁偶极矩mx，x轴方向的磁场激发双各向异性结构中y方向的电偶极矩py，当py和pz具有非180°的相位差时产生横向自旋电偶极矩；x轴方向的入射电场激发双各向异性结构中x轴方向的电偶极矩px，x轴方向的入射电场激发双各向异性结构中y方向的磁偶极矩my，z轴方向的入射磁场激发双各向异性结构中z轴方向的磁偶极矩mz，当my和mz具有非180°的相位差时产生横向自旋磁偶极矩。
进一步的，当mx等于0，py和pz大小相同且相位差为π/2时会产生最大横向自旋电偶极矩，散射场产生横向自旋角动量；当px等于0，my和mz大小相同且相位差为π/2时会产生最大横向自旋磁偶极矩。
进一步的，当mx等于0，所述py和所述pz大小相同且相位差为π/2，并且px等于0，my和mz大小相同且相位差为π/2时，散射场产生横向自旋角动量，散射远场左旋和右旋偏振光实现分离。
进一步的，非偏振光沿x轴传播，非偏振光等效为y轴和z轴的正交偏振光；z轴方向的入射电场激发双各向异性结构中z轴方向的电偶极矩pz，y轴方向的入射磁场激发双各向异性结构中y方向的磁偶极矩my，y轴方向的磁场激发双各向异性结构中x方向的电偶极矩px，当px和pz具有非180°的相位差时产生横向自旋电偶极矩，散射场产生横向自旋角动量；y轴方向的入射电场激发双各向异性结构中y轴方向的电偶极矩py，y轴方向的入射电场激发双各向异性结构中x方向的磁偶极矩mx，z轴方向的入射磁场激发双各向异性结构中z轴方向的磁偶极矩mz，当mx和mz具有非180°的相位差时产生横向自旋磁偶极矩，散射场产生横向自旋角动量。
进一步的，当my等于0，px和pz大小相同且相位差为π/2时会产生最大横向自旋电偶极矩，散射场产生横向自旋角动量；当py等于0，mx和mz大小相同且相位差为π/2时会产生最大横向自旋磁偶极矩。
进一步的，当my等于0，px和pz大小相同且相位差为π/2，并且py等于0，mx和mz大小相同且相位差为π/2时，散射场产生横向自旋角动量，散射远场左旋和右旋偏振光实现分离。
进一步的，圆柱体的介电常数为40；圆柱体的半径为入射波长的1/8；圆柱体的高度为入射波长的1/10；空气圆柱孔半径与圆柱体半径的比值为0.68；空气圆柱孔高度与圆柱体半径的比值为0.32。
本发明的有益效果：双各向异性结构具有磁电耦合特性，通过合理的结构能够有效产生纵向的电场和磁场，能够为非偏振光产生横向自旋角动量提供一种可行方案，具有简单高效的优势。本发明通过双各向异性结构的磁电耦合特性使非偏振光产生横向自旋角动量，双各向异性结构的磁电耦合特性能够产生纵向电磁场，有利于横向自旋角动量的产生，方法具有简单高效的优势，扩展偏振调控在非偏振光学系统中的适用性，解决实现非偏振光产生横向自旋角动量方法局限且复杂的问题。通过调控入射光波长与结构尺寸之间的关系，能够调控散射光中横向角动量。当非偏振光入射可以激发双各向异性结构中的横向自旋偶极矩时，散射场中将存在横向自旋角动量。
附图说明
图1(a)为采用的双各向异性结构三维结构示意图；
图1(b)为采用的双各向异性结构在x-z平面的截面图；
图2(a)为非偏振光产生横向自旋角动量z方向偏振电场入射原理图；
图2(b)为非偏振光产生横向自旋角动量x方向偏振电场入射原理图；
图3(a)为z方向偏振电场入射时mx的强度分布图；
图3(b)为z方向偏振电场入射时py的强度分布图；
图3(c)为z方向偏振电场入射时pz的强度分布图；
图3(d)为z方向偏振电场入射时mx的相位分布图；
图3(e)为z方向偏振电场入射时py的相位分布图；
图3(f)为z方向偏振电场入射时pz的相位分布图；
图4(a)为x方向偏振电场入射时px的强度分布图；
图4(b)为x方向偏振电场入射时my的强度分布图；
图4(c)为x方向偏振电场入射时mz的强度分布图；
图4(d)为x方向偏振电场入射时px的相位分布图；
图4(e)为x方向偏振电场入射时my的相位分布图；
图4(f)为x方向偏振电场入射时mz的相位分布图；
图5(a)为横向自旋电偶极矩系数随结构尺寸变化的分布图；
图5(b)为横向自旋磁偶极矩系数随结构尺寸变化的分布图；
图6(a)为横向自旋偶极矩系数随空气圆柱孔高度变化的曲线图；
图6(b)为非偏振光散射远场横向自旋分裂时斯托克斯偏振参数S3/S0的远场分布图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明一种非偏振光产生横向自旋角动量的方法，具体采用双各向异性结构将非偏振光散射产生横向自旋角动量，其中双各向异性结构用于实现磁电耦合。若结构具有横向和纵向磁电耦合特性，非偏振光激发出的粒子横向和纵向偶极矩具有非180°的相位差，则散射场一定具有横向自旋角动量，实施例给出的是获得大的横向自旋角动量的案例，此时能够实现横向自旋分裂，即左旋和右旋偏振光分别位于散射场横向相反的半球中。
采用的双各向异性结构示意图如图1(a)所示，双各向异性结构由介质圆柱和空气圆柱孔组成。坐标轴的中心为介质圆柱体的中心，z轴为介质圆柱体和空气圆柱体的旋转轴。图1(b)为双各向异性结构在x-z平面的截面图。介质圆柱的介电常数为40，介质圆柱的半径r1为入射波长的1/8，介质圆柱的高度h1为入射波长的1/10。空气圆柱孔半径为r2，高度为h2。
图2(a)和图2(b)描绘了非偏振光产生最大横向自旋偶极矩的原理图。斯托克斯偏振参数是表示光偏振态的有效方法，非偏振光散射远场研究可以简化为两个正交偏振光分别入射时散射远场斯托克斯偏振参数的线性叠加。本实例中选取的正交偏振电场方向分别为x方向和z方向。当非偏振光入射可以激发双各向异性结构中的横向自旋偶极矩时，散射场中将存在横向自旋角动量。当两个正交偏振光均能激发出双各向异性结构中近似完美(最大)的横向自旋偶极矩时，非偏振光散射场会产生大的横向自旋角动量。入射的非偏振光的传播方向垂直于结构的旋转轴，在本研究中传播方向为y方向。利用偶极子模型，分析双各向异性结构产生的偶极矩，进而判断横向自旋角动量的产生。图2(a)是z方向偏振电场入射的情况，z方向的入射电场激发双各向异性结构中z方向的电偶极矩(pz)，x方向的入射磁场激发双各向异性结构中x方向的磁偶极矩(mx)，由于该双各向异性结构在x和y方向存在磁电耦合，因此x方向的磁场还会激发双各向异性结构中y方向的电偶极矩(py)。当py和pz具有非180°的相位差时即可产生横向自旋电偶极矩；当mx等于0，py和pz大小相同且相位差为π/2时会产生最大的横向自旋电偶极矩。图2(b)是x方向偏振电场入射的情况，x方向的入射电场激发双各向异性结构中x方向的电偶极矩(px)，z方向的入射磁场激发双各向异性结构中z方向的磁偶极矩(mz)，由于该双各向异性结构在x和y方向存在磁电耦合，因此x方向的电场还会激发双各向异性结构中y方向的磁偶极矩(my)。当my和mz具有非180°的相位差时即可产生横向自旋磁偶极矩；当px等于0，my和mz大小相同且相位差为π/2时会产生最大的横向自旋磁偶极矩。只有这两种情况均能产生的横向自旋电偶极矩和横向自旋磁偶极矩时，非偏振光才能够产生大的横向自旋角动量，获得散射远场左旋和右旋偏振光的分离。只要非偏振光能够激发出粒子的横向自旋偶极矩，散射场中就将存在横向自旋角动量。
图3(a)-图3(f)为z方向偏振电场入射时偶极矩mx、py和pz的强度和相位随空气圆柱孔半径和高度变化的分布图。空气圆柱孔半径与介质圆柱半径的比值为a＝r2/r1，空气圆柱孔高度与介质圆柱孔高度的比值为b＝h2/h1。图3(a)-图3(c)是mx、py和pz的强度分布图，图3(d)-图3(f)是mx、py和pz的相位分布图。空心五角星附近的区域表示py和pz大小相同且相位差为π/2近似满足的情况，此时产生了大的横向自旋电偶极矩。
图4(a)-图4(f)为x方向偏振电场入射时偶极矩px、my和mz的强度和相位随空气圆柱孔半径和高度变化的分布图。空气圆柱孔半径与介质圆柱半径的比值为a＝r2/r1，空气圆柱孔高度与介质圆柱孔高度的比值为b＝h2/h1。图4(a)-图4(c)是px、my和mz的强度分布图，图4(d)-图4(f)是px、my和mz的相位分布图。空心五角星附近的区域表示my和mz大小相同且相位差为π/2近似满足的情况，此时产生了大的横向自旋磁偶极矩。空心圆圈附近的区域表示相反的横向自旋磁偶极矩。
图5(a)-图5(b)为横向自旋偶极矩系数随空气圆柱孔半径和高度变化的分布图。利用横向自旋偶极矩系数PT和MT衡量双各向异性结构横向自旋偶极矩的大小，绝对值为1时表示构建出了完美的横向自旋偶极矩。在现实情况下很难实现完美的横向自旋偶极矩，当横向自旋偶极矩系数较大的时候即可实现横向自旋分裂的现象。横向自旋电偶极矩系数PT表示为
其中Im表示虚部。该公式可以反映出不同偶极矩对构建横向自旋电偶极矩的影响，当py和pz存在非180°相位差时，PT不等于0，即产生了横向自旋电偶极矩；当mx＝0，py＝ipz时，PT＝1，即产生了完美的横向自旋电偶极。横向自旋磁偶极矩系数MT表示为
该公式可以反映出不同偶极矩对构建横向自旋磁偶极矩的影响，当my和mz存在非180°相位差时，MT不等于0，即产生了横向自旋磁偶极矩；当px＝0，my＝imz时，MT＝1，即产生了完美的横向自旋磁偶极矩。图5(a)是横向自旋电偶极矩系数的分布图，图5(b)是横向自旋磁偶极矩系数的分布图。当这两种横向自旋偶极矩系数同时接近1的时候，非偏振光能够产生大的横向自旋角动量，实现散射远场左旋和右旋偏振分离。图5(a)和5(b)中的实心五角星对应于两种横向自旋偶极矩系数同时大的情况。
图6(a)显示了a＝0.68时(空气圆柱孔半径与介质圆柱半径的比值为0.68)横向自旋偶极矩系数随b的变化图，黑色实心点对应于b＝0.32(空气圆柱孔高度与介质圆柱半径的比值为0.32)。a＝0.68、b＝0.32处于图5(a)和5(b)中实心五角星的区域，此时横向自旋电偶极矩和横向自旋磁偶极矩系数同时大。图6(b)是a＝0.68、b＝0.32时非偏振光散射远场归一化的托克斯偏振参数S3/S0的远场分布图，其中S3/S0等于-1、0、1分别对应于左旋圆偏振、线偏振和右旋圆偏振。此时非偏振光产生了大的横向自旋角动量，散射远场的左旋和右旋偏振完美分离。
Claims (8)
1.一种非偏振光产生横向自旋角动量的方法，其特征在于：采用双各向异性结构，所述双各向异性结构包括圆柱体，圆柱体的一个端面设置有空气圆柱孔，空气圆柱孔的端面和圆柱体端面同圆心，以圆柱体中心为原点、以圆柱体旋转轴为z轴建立空间直角坐标系；非偏振光沿垂直于z轴的方向传播，非偏振光激发出双各向异性结构中的横向自旋偶极矩，散射场产生横向自旋角动量。
2.根据权利要求1所述的一种非偏振光产生横向自旋角动量的方法，其特征在于：所述非偏振光沿垂直于z轴的方向传播，非偏振光激发出双各向异性结构中的横向自旋偶极矩具体为：非偏振光沿y轴传播，非偏振光等效为x轴和z轴的正交偏振光；z轴方向的入射电场激发双各向异性结构中z轴方向的电偶极矩pz，x轴方向的入射磁场激发双各向异性结构中x方向的磁偶极矩mx，x轴方向的磁场激发双各向异性结构中y方向的电偶极矩py，当py和pz具有非180°的相位差时产生横向自旋电偶极矩；x轴方向的入射电场激发双各向异性结构中x轴方向的电偶极矩px，x轴方向的入射电场激发双各向异性结构中y方向的磁偶极矩my，z轴方向的入射磁场激发双各向异性结构中z轴方向的磁偶极矩mz，当my和mz具有非180°的相位差时产生横向自旋磁偶极矩。
3.根据权利要求2所述的一种非偏振光产生横向自旋角动量的方法，其特征在于：当所述mx等于0，所述py和所述pz大小相同且相位差为π/2时会产生最大横向自旋电偶极矩，散射场产生横向自旋角动量；当所述px等于0，所述my和所述mz大小相同且相位差为π/2时会产生最大横向自旋磁偶极矩。
4.根据权利要求2所述的一种非偏振光产生横向自旋角动量的方法，其特征在于：当所述mx等于0，所述py和所述pz大小相同且相位差为π/2，并且所述px等于0，所述my和所述mz大小相同且相位差为π/2时，散射场产生横向自旋角动量，散射远场左旋和右旋偏振光实现分离。
5.根据权利要求1所述的一种非偏振光产生横向自旋角动量的方法，其特征在于：所述非偏振光沿垂直于z轴的方向传播，非偏振光激发出双各向异性结构中的横向自旋偶极矩具体为：非偏振光沿x轴传播，非偏振光等效为y轴和z轴的正交偏振光；z轴方向的入射电场激发双各向异性结构中z轴方向的电偶极矩pz，y轴方向的入射磁场激发双各向异性结构中y方向的磁偶极矩my，y轴方向的磁场激发双各向异性结构中x方向的电偶极矩px，当px和pz具有非180°的相位差时产生横向自旋电偶极矩，散射场产生横向自旋角动量；y轴方向的入射电场激发双各向异性结构中y轴方向的电偶极矩py，y轴方向的入射电场激发双各向异性结构中x方向的磁偶极矩mx，z轴方向的入射磁场激发双各向异性结构中z轴方向的磁偶极矩mz，当mx和mz具有非180°的相位差时产生横向自旋磁偶极矩，散射场产生横向自旋角动量。
6.根据权利要求5所述的一种非偏振光产生横向自旋角动量的方法，其特征在于：当所述my等于0，所述px和所述pz大小相同且相位差为π/2时会产生最大横向自旋电偶极矩，散射场产生横向自旋角动量；当所述py等于0，所述mx和所述mz大小相同且相位差为π/2时会产生最大横向自旋磁偶极矩。
7.根据权利要求5所述的一种非偏振光产生横向自旋角动量的方法，其特征在于：当所述my等于0，所述px和所述pz大小相同且相位差为π/2，并且所述py等于0，所述mx和所述mz大小相同且相位差为π/2时，散射场产生横向自旋角动量，散射远场左旋和右旋偏振光实现分离。
8.根据权利要求1所述的一种非偏振光产生横向自旋角动量的方法，其特征在于：所述圆柱体的介电常数为40；所述圆柱体的半径为入射波长的1/8；所述圆柱体的高度为入射波长的1/10；所述空气圆柱孔半径与圆柱体半径的比值为0.68；所述空气圆柱孔高度与圆柱体半径的比值为0.32。
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|---|---|
| CN114355499B (zh) | 2023-11-17 |
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