[論文レビュー] "Spin" and "Orbital" Flows in a Circularly Polarized Paraxial Beam: Orbital Rotation without Orbital Angular Momentum

A. Ya. Bekshaev|ArXiv.org|Aug 18, 2009

Planetary Science and Exploration参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、円偏光の軸対称ビームにおける横方向エネルギー流れを解析的に調査し、スピンと軌道的流れの成分を区別している。軌道的流れとスピン流れの相互作用により、ネットの軌道的角運動量がゼロであってもマイクロ粒子の軌道的回転が生じることが示されている。これは、異なるビーム領域で流れの方向やヘリシティが逆になることがあるためであり、結果として、ネットの軌道的角運動量がゼロであっても、複雑な粒子の運動パターンが生じる。

ABSTRACT

In light beams with circular or elliptic polarization, the transverse energy flow consists of the "spin" and "orbital" parts. Both of them can induce the orbital motion of microparticles suspended within the field of a light beam, and this should be taken into account in experiments on the spin-to-orbital angular momentum conversion. The character of the spin, orbital and total transverse energy flows in circular Laguerre-Gaussian beams is studied analytically; graphical representations of the flows in the beam cross section (flow maps) are calculated and analyzed. The spin circulatory flow can be directed oppositely to the orbital one and/or to the polarization handedness. As a result, the total transverse energy circulation of a beam with homogeneous circular polarization can be of different handedness in different regions of the beam cross section, which are separated by the contours of zero transverse energy flow. Regarding the particle position within the beam cross section, it can perform orbital, spinning or combined spinning-orbital motion with variable parameters. Possible applications to optical driving of microparticles are discussed.

研究の動機と目的

• 円偏光の軸対称ビームにおける横方向エネルギー流れの成分を分析すること。
• スピンおよび軌道的流れが粒子の運動を引き起こす役割を明確にすること。
• これらの流れが、ネットの軌道的角運動量がゼロであっても、軌道的回転を引き起こす仕組みを調査すること。
• 円偏光光を用いた光学トラップにおける粒子力学の理論的基盤を提供すること。
• 構造化光ビームにおけるスピンから軌道的角運動量への変換に関する概念的曖昧さを解消すること。

提案手法

• ラゲル・ガウスビームに円偏光を適用した場合の横方向エネルギー流れの解析的導出。
• ポインティングベクトル形式を用いて、全横方向エネルギー流れをスピン成分と軌道的成分に分解すること。
• ビーム断面における流れマップの計算により、スピンおよび軌道的流れの分布を可視化すること。
• 解析的取り扱いの簡略化のため、軸近似を用いること。
• 流れの符号反転およびゼロ流れの等高線を分析し、流れの方向が反転する領域を特定すること。
• 流れのヘリシティを偏光のヘリシティおよびそれらが引き起こす粒子の運動特性と比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピンおよび軌道的成分の横方向エネルギー流れは、円偏光ビーム内での粒子の回転にどのように寄与するか？
• RQ2 ビームのネットの軌道的角運動量がゼロであっても、軌道的回転は生じ得るか？
• RQ3 ビーム断面の異なる領域における粒子運動の方向およびヘリシティは、何によって決定されるか？
• RQ4 スピンおよび軌道的流れは、偏光のヘリシティおよびビーム構造とどのように関係するか？
• RQ5 流れの符号反転およびゼロ流れの等高線は、光学的粒子操作にどのような意味を持つのか？

主な発見

• スピンおよび軌道的横方向エネルギー流れは、逆方向を向くことがあるため、ビーム断面に複雑な流れのパターンが生じる。
• 全横方向エネルギー循環のヘリシティは、特定のビーム領域では偏光のヘリシティとは異なることがある。
• ゼロ横方向エネルギー流れの等高線は、流れの方向が反転する領域を分離しており、流れの挙動が異なるドメインを形成する。
• マイクロ粒子は、流れの構造およびゼロ流れラインの相対的位置に応じて、軌道的運動、回転運動、あるいは両方の運動を示すことがある。
• スピンおよび軌道的流れの相互作用により、ビームのネットのOAMとは無関係に粒子操作戦略を実現できる。
• スピンおよび軌道的流れの相互作用により、ネットのOAMがゼロであっても、粒子の軌道的回転が生じることがある。