时空涡旋中的新型自旋轨道耦合效应

撰稿|由课题组供稿

近日，上海理工大学庄松林院士领导的未来光学国际实验室在时空涡旋研究领域取得重要进展，詹其文教授带领的纳米光子学团队展示了紧聚焦圆偏振时空涡旋中纵向自旋角动量与横向轨道角动量之间的新型自旋轨道耦合效应。这些奇特的自旋轨道耦合现象有望在光与物质相互作用中产生新效应和新功能。该成果以“Spin-orbit coupling within tightly focused circularly polarized spatiotemporal vortex wavepacket”为题发表在ACS Photonics上并被选为封面文章。

自旋轨道相互耦合是一类重要的光学现象，广泛存在于强聚焦场以及非均匀或各向异性介质中的光与物质相互作用中，在光的自旋霍尔效应、自旋控制的光束整形、精密计量、光镊等各种应用中具有重要意义。长期以来，人们普遍关注的是自旋角动量与空间内的纵向轨道角动量之间的相互耦合。由于时空涡旋的复杂特性，目前与横向轨道角动量相关的自旋轨道相互耦合的研究鲜有报道。近年来，得益于时空涡旋方面的一些开创性研究工作，例如可控生成方法、自由空间和色散介质中的传播特性、二次谐波生成中的横向轨道角动量守恒、部分相干时空涡旋等，为时空涡旋的生成、操纵和观测提供了可利用的手段。对于这样一种新型的横向轨道角动量，自旋轨道相互耦合可望出现新的现象。

在该项工作中，研究人员通过强聚焦圆偏振时空涡旋，详细研究了焦场中纵向自旋角动量与横向轨道角动量之间的相互耦合效应。如图1所示，焦场中的横向偏振分量同时携带横向轨道角动量和纵向轨道角动量，纵向轨道角动量由纵向自旋角动量在强聚焦条件下演化而来。由于横向轨道角动量与纵向轨道角动量之间的强耦合效应，导致其时空相位奇点的指向发生显著的偏转，通过调控波包的脉冲宽度可以方便地控制时空相位奇点的倾斜角度。

图1 焦场中x偏振分量和y偏振分量的强度和相位分布

对于焦场的纵向偏振分量，如图2所示，其时空相位奇点结构更加复杂，经历了从纯纵向轨道角动量到纯横向轨道角动量的连续演变。在波包的正中心，相位奇点轨迹形成了一个闭合的结，同时包含纵向轨道角动量和横向轨道角动量。

图2 焦场中z偏振分量的强度、相位奇点轨迹和相位分布

至于焦场的偏振分布，如图3所示，焦场在xy面内接近于圆偏振，因为其x偏振分量和y偏振分量的强度近似相等，且二者之间的相对相位差为π/2。由于z偏振分量的强度明显小于x偏振分量和y偏振分量，焦场在xt面和yt面内主要为椭圆偏振。不过在聚焦波包的正中心，由于x偏振分量和y偏振分量的强度为0，而z偏振分量强度较大，故焦场中心附近为沿着z方向的线偏振态。

图3 焦场的偏振分布

当与结构材料相互作用时，新型自旋轨道耦合的这些独特特征可能会产生明显不同的反应，特别是如果样品有选择性地响应某些特定的偏振状态。此外，如果考虑聚焦系统的色差和像差等因素，将会发现更丰富的自旋轨道相互作用。强聚焦圆偏振时空涡旋所提供的这些独特自旋轨道相互耦合效应在光学操纵、具有定制属性的光子发射、光与物质相互作用和等离子体物理等方面具有潜在的应用前景。

上海理工大学光电信息与计算机工程学院陈建副教授为论文第一作者，詹其文教授为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、上海市地方院校能力建设项目、上海市自然科学基金的资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c01190