作者单位
摘要
1 深圳大学射频异质异构集成全国重点实验室,微纳光电子学研究院纳米光子学研究中心,广东 深圳 518060
2 之江实验室智能感知研究院,浙江 杭州 311100
自旋角动量是基本粒子和场的一个基本的动力学物理量,它在光与物质相互作用中扮演着极其重要的角色。在光学研究中,光的自旋角动量与圆极化密切相关,通过研究光学自旋与物质或结构的相互作用产生了许多新颖有趣的光学现象和光学应用,并诞生了自旋光学这一新兴学科。过去的研究中,研究人员主要聚焦在与平均波矢方向平行的纵向光学自旋。近年来,科研人员通过研究限制场如聚焦波、导波和倏逝波等的自旋轨道耦合性质,发现了一类新型的光学自旋,这类自旋与平均波矢方向垂直,因此被称为光学横向自旋。横向自旋具有自旋动量绑定的性质,一经发现便受到研究人员的广泛关注。横向自旋的发现拓展了光学自旋轨道相互作用的内容,并在光学操纵、光学精密检测、手性量子光学和光学自旋拓扑态等领域具有广阔的应用前景。本文从理论、实验技术和应用3个方面详细介绍自旋光学的最新进展。自旋光学的理论概念和框架可为研究人员进一步开拓基于光学自旋在光学成像、光学探测、光通信和量子技术等领域的应用发挥巨大的作用,同时也可拓展到一般经典波场,比如流体波、声波和引力波等。
物理光学 自旋角动量 自旋动量绑定 自旋轨道耦合 光学微分计算 光学探测 横向光学力 
光学学报
2024, 44(10): 1026002
作者单位
摘要
1 西北农林科技大学 理学院,杨凌712100
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子国家重点实验室,西安 710119
为了实现粒子的非轴向旋转操控,对圆偏振涡旋光的光致旋转特性进行了研究。理论上,利用T矩阵理论,计算光场作用于微粒的光力和力矩,分析圆偏振涡旋光场中自旋角动量和轨道角动量的取向对非轴向旋转效应的影响。研究结果表明:当轨道角动量和自旋角动量的方向相同时,粒子除受轨道矩和轴向自旋矩作用外,还受一个可观的横向自旋矩作用,可以诱导粒子同时做轨道和非轴向自旋运动;当轨道角动量和自旋角动量方向相反,则粒子受到的横向自旋矩难以驱动其做非轴向自旋运动。实验上,利用全息光镊系统捕获微米尺度的粒子,观察到粒子做轨道运动时的非轴向自旋现象,对理论研究结果进行了初步验证。
全息光镊 涡旋光束 光致旋转 非轴向自旋 横向自旋角动量 Holographic optical tweezers Vortex beam Optically induced rotation Non-axial spinning Transverse spin angular momentum 
光子学报
2023, 52(11): 1126001
作者单位
摘要
成都信息工程大学 光电工程学院, 四川 成都 610225
本文提出了均匀偏振cosh-Pearcey-Gauss 光束,其主要由双曲余弦函数(n, Ω)和偏振相关角度(α,δ)所调制。基于矢量角谱法和稳相法,研究了该光束的远场坡印廷矢量、自旋角动量和轨道角动量。研究结果表明:较大的双曲余弦函数值能将远场坡印廷矢量、自旋角动量和轨道角动量分割成多瓣抛物线结构。虽然左旋和右旋椭圆偏振不能影响整个光束结构,但却可通过调节TE和TM项的左半边和右半边的分布权重,进而分辨出光束的远场坡印廷矢量和角动量分布。本文结果对信息存储与偏振成像技术领域有着潜在的应用价值。
cosh-Pearcey-Gauss光束 自旋角动量 轨道角动量 坡印廷矢量 cosh-Pearcey-Gauss beams spin angular momentum orbital angular momentum Poynting vector 
中国光学
2023, 16(5): 1195
Lang Li 1,2,3Yingchi Guo 1,2,3Zhichao Zhang 1,2,3Zijun Shang 1,2,3[ ... ]Shiyao Fu 1,2,3,*
Author Affiliations
Abstract
1 Beijing Institute of Technology, School of Optics and Photonics, Beijing, China
2 Ministry of Education of the People’s Republic of China, Key Laboratory of Photoelectronic Imaging Technology and System, Beijing, China
3 Ministry of Industry and Information Technology of the People’s Republic of China, Key Laboratory of Information Photonics Technology, Beijing, China
As an inherent degree of freedom, total angular momentum (TAM) of photons consisting of spin angular momentum and orbital angular momentum has inspired many advanced applications and attracted much attention in recent years. Probing TAM and tailoring beam’s TAM spectrum on demand are of great significance for TAM-based scenarios. We propose both theoretically and experimentally a TAM processor enabling tunable TAM manipulation. Such a processor consists of a set of quasi-symmetric units, and each unit is composed of a couple of diffraction optical elements fabricated through polymerized liquid crystals. Forty-two single TAM states are experimentally employed to prove the concept. The favorable results illustrate good TAM state selection performance, which makes it particularly attractive for high-speed large-capacity data transmission, optical computing, and high-security photon encryption systems.
vortex beams orbital angular momentum spin angular momentum total angular momentum tailoring 
Advanced Photonics
2023, 5(5): 056002
付时尧 1,2,3,*高春清 1,2,3,**
作者单位
摘要
1 北京理工大学光电学院,北京 100081
2 信息光子技术工业和信息化部重点实验室,北京 100081
3 光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京 100081
与宏观物体类似,光子等微观粒子也可携带角动量。光子的角动量包括自旋角动量和轨道角动量,两种角动量的共同作用产生了一种新型结构光束,即矢量涡旋光束。矢量涡旋光束具有各向异性的波面和偏振分布,提供了多种光场自由度,在量子技术、光通信、激光探测、激光加工、高分辨成像、光镊等前沿领域展现了巨大的应用潜力,吸引了国内外学者的广泛关注。高效地生成矢量涡旋光束,以及高精度地识别矢量涡旋光束的模式分布,是其应用的关键。本文简要回顾了国内外学者在矢量涡旋光束的生成与模式识别方面的研究工作,同时系统梳理了本文作者过去十年在该方面的研究进展,重点介绍了其相关代表性成果。
物理光学 激光光场调控 矢量涡旋光束 轨道角动量 自旋角动量 
光学学报
2023, 43(15): 1526001
作者单位
摘要
1 内江师范学院 物理与电子信息工程学院,四川 内江 641000
2 长沙学院 电子信息与电气工程学院,长沙 410003
3 桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院,广西 桂林 541004
目前,具有螺旋相位波前和环状光强分布的涡旋光束已在光学领域获得了广泛应用,其产生与调控自然成了研究的热点。利用三维粒子模拟程序对双色拉盖尔高斯激光驱动固体等离子激发同时携带自旋角动量与轨道角动量的高次谐波的物理过程进行了研究,根据高次谐波产生过程中的光子能量与角动量守恒定律对其内在物理机制进行了理论分析,并讨论了对谐波阶次、偏振态(自旋角动量)以及拓扑荷数(轨道角动量)进行调控的方法。研究结果为开发高亮度、超短超快、短波长、自旋与轨道角动量可调控的涡旋光束辐射源提供了理论依据,在光学微操控、超分辨成像、光通信以及离子加速等领域具有较大的实际应用前景。
涡旋光束 拉盖尔高斯激光 自旋角动量 轨道角动量 高次谐波 vortex beams Laguerre-Gaussian lasers spin angular momentum orbital angular momentum harmonic radiation 
强激光与粒子束
2023, 35(5): 051003
作者单位
摘要
西安电子科技大学 物理学院,西安 710071
结合角谱展开方法和矢量势方法,推导了拉盖尔高斯涡旋光束在石墨烯表面反射后的电磁场分量显式表达式。分析了光束的入射角和拓扑荷数,以及石墨烯-衬底系统的费米能量和磁场对涡旋光束在石墨烯表面反射后局域动力学特性的影响。数值结果表明,石墨烯表面反射涡旋光束的能量、动量、自旋/轨道角动量密度分布随着光束入射角和拓扑荷数的变化发生显著变化。同时,改变石墨烯-衬底系统的费米能量和磁场可以有效调节反射涡旋光束的局域动力学特性。为基于涡旋光束局域动力学特性对石墨烯的表征以及基于石墨烯对涡旋光束的调控奠定了理论基础。
涡旋光束 石墨烯 能量 动量 自旋角动量 轨道角动量 Vortex beams Graphene Energy Momentum Spin angular momentum Orbital angular momentum 
光子学报
2023, 52(2): 0213003
Bing-Yan Wei 1,2,*†Yuan Zhang 3Haozhe Xiong 1,2Sheng Liu 1,2,*[ ... ]Jianlin Zhao 1,2,*
Author Affiliations
Abstract
1 Northwestern Polytechnical University, School of Physical Science and Technology, Shaanxi Key Laboratory of Optical Information Technology, Xi’an, China
2 Ministry of Industry and Information Technology, Key Laboratory of Light Field Manipulation and Information Acquisition, Xi’an, China
3 Chinese Flight Test Establishment, Xi’an, China
Emerging as a family of waves, Janus waves are known to have “real” and “virtual” components under inversion of the propagation direction. Although tremendous interest has been evoked in vortex beams featuring spiral wavefronts, little research has been devoted to the vortex beam embedded Janus waves, i.e., Janus vortex beams. We propose a liquid crystal (LC) Pancharatnam–Berry (PB) phase element to demonstrate the realization of the Janus vortex beams and the modulation of the associated orbit angular momentum (OAM) and spin angular momentum (SAM). The generated Janus vortex beams show opposite OAM and SAM states at two distinct foci, revealing a spin-orbit interaction during propagation enabled by the LC PB phase element, which may play special roles in applications such as optical encryption and decryption. Other merits like reconfigurability and flexible switching between Janus vortex beams and autofocusing or autodefocusing vortex beams additionally increase the degree of freedom of manipulating vortex beams. This work provides a platform for tailoring complex structured light and may enrich the applications of vortex beams in classical and quantum optics.
Janus vortex beam liquid crystal Pancharatnam–Berry phase orbit angular momentum spin angular momentum 
Advanced Photonics Nexus
2022, 1(2): 026003
作者单位
摘要
1 西北工业大学 电子信息学院,西安 710072
2 陕西师范大学 物理学与信息技术学院,西安 710119
研究了X型涡旋光束在左旋/右旋圆偏振状态下在紧聚焦系统中的传播特性,讨论了自旋-轨道相互作用下焦平面光强的横向焦移和传播方向旋转现象的特点及其调控方法。研究发现:相位分布因子c是X型涡旋光束产生横向焦移和光强旋转的主要原因,而半孔径角α、偏振态和拓扑荷数对光强分布均有调控作用;由于自旋-轨道相互作用,入射光为左旋圆偏振态与右旋圆偏振态时,聚焦场光强分布差异明显,相同点是焦平面上光强的轴向转折点均为csw=1,这与入射光为线偏振态时轴向转折点不同;在二阶情况下,虽然入射光为左旋和右旋圆偏振时,两者的横向焦移与光强旋转不同,但是两者的主要涡旋点的分布及其旋转行为是一致的。本文研究可为结构光场的调控提供参考。
非经典涡旋 自旋角动量 轨道角动量 紧聚焦 光场调控 Noncanonical vortex Spin angular momentum Orbital angular momentum Tightly focusing Optical field manipulation 
光子学报
2022, 51(1): 0151115
作者单位
摘要
1 中国科学技术大学光学与光学工程系, 安徽 合肥 230026
2 合肥微尺度国家研究中心, 安徽 合肥 230026
光同时具有自旋和轨道角动量属性, 它们分别与光的偏振和相位分布相关。在傍轴条件下, 光的自旋和轨道角动量在自由空间传输过程中是相互独立且各自守恒的。而在非傍轴条件下, 如紧聚焦或者散射光场中, 光的自旋与轨道角动量之间会发生相互耦合和转化。其中, 紧聚焦场中自旋与轨道角动量的相互作用由于广泛涉及光学捕获、显微和探测等应用领域, 近年来受到广泛关注。综述了紧聚焦场中自旋、轨道角动量理论计算方法, 自旋-轨道角动量相互作用与入射结构光场的关系以及最新的相关应用研究进展。
傅里叶光学 紧聚焦 自旋角动量 轨道角动量 自旋- 轨道角动量相互作用 光捕获 Fourier optics tight focusing spin angular momentum orbital angular momentum spin-orbital angular momentum interaction optical trapping 
量子电子学报
2022, 39(1): 81

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