轨道角动量增强的光子自旋分裂研究

摘要

近些年来，光子自旋分裂作为一种新兴的物理现象受到了人们的广泛关注。光子自旋分裂是指一束有限束宽的线偏振光在介质分界面上反射或折射时，自旋相反的两种光子朝相反方向移动从而在空间分开的物理现象。根据光子自旋分裂的方向可以将其分成两类：一类是发生在入射面内的光子自旋分裂；另一类是发生在垂直于入射面方向上的光子自旋分裂。后者源于光子自旋霍尔效应。光子自旋分裂为操控自旋光子提供了新的途径，在纳米光学，半导体物理，高能物理以及量子信息等方面都有重要的应用前景。　　涡旋光束是中心光强度为零，具有螺旋相位波前的光束。涡旋光可以携带任意整数阶的轨道角动量。因其独特的相位和光场结构，涡旋光在微粒操控，光通信等领域都有非常重要的应用价值。　　本论文分别对光在平行和垂直于入射面方向上的自旋分裂现象进行了研究，并探究了光子轨道角动量对光子自旋分裂的影响，研究成果如下：　　第一，基于高阶拉盖尔-高斯光透射薄透明介质的物理模型，分析了透射光在入射面内的自旋分裂特性，导出了光子自旋分裂的理论极限值，即为|?|w0/(|?|+1)1/2，其中?和w0分别为入射光的拓扑荷和束腰半径。并且通过计算发现当该薄透明介质的介电常数接近零时，可以使得透射光的自旋分裂值达到其理论极限值的0.99倍。此外，该自旋分裂值是与入射光的轨道角动量相关的，会随入射光轨道角动量拓扑荷的增加而相应的增强。　　第二，系统地研究了在空气-手性超材料分界面上的反射光在垂直于入射面方向上的自旋分裂特性。当一束线偏振光被空气-手性超材料界面反射时，由于光自旋-轨道相互作用，会使其在垂直于入射光的方向上产生非对称自旋分裂现象。计算发现该自旋分裂的最大值发生在反射系数|rpp|与|rsp|的交点所在角度附近(θ=±0.1°)。此外，本文还研究了当入射光为涡旋光时，光的轨道角动量对非对称光子自旋分裂的影响。研究发现，该反射光的非对称自旋分裂值，不仅可以通过材料的手征性，还可以通过入射光的轨道角动量进行增强和调控。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2光子自旋分裂及其研究进展

1.3涡旋光及其研究进展

1.4本文主要研究内容及框架

第二章 光子自旋分裂理论基础

2.1引言

2.2平面波的角谱理论

2.3角动量守恒定律

2.4高斯光束自旋分裂模型

2.5本章小结

第三章 介电常数近零超材料中的光子自旋分裂研究

3.1引言

3.2理论分析

3.3计算结果

3.4本章小结

第四章 手性超材料中的非对称光子自旋分裂研究

4.1引言

4.2理论分析

4.3计算结果

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2未来工作展望

参考文献

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项目资助

致谢