[论文解读] Goos-H\"{a}nchen and Imbert-Fedorov Shifts of Vortex Beams at Air-Left-Handed Material Interfaces

Zhicheng Xiao, Hailu Luo+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2012

Orbital Angular Momentum in Optics被引用 3

一句话总结

本文对空气-左手材料（LHM）界面处的抛物形涡旋光束的Goos-Hänchen与Imbert-Fedorov光束位移进行了严格的理论分析。结果表明，空间位移与右手材料相比保持不变，而角位移因LHM中z方向线动量的反转而发生反向，通过定量分析自旋-轨道与轨道-轨道角动量转换，揭示了其背后的物理机制。

ABSTRACT

In this paper, we present a systematic study of beam shifts and angular momenta of paraxial vortex beams at air-left-handed material (LHM) interfaces. It is shown that, compared to their counterparts at air-right-handed material (RHM) interfaces, the spatial Goos-H\"{a}nchen (GH) and Imbert-Fedorov (IF) shifts remains the same, while the angular GH and IF shifts are reversed, at air-LHM interfaces. The spatial and angular shifts of paraxial vortex beams have their respective origins in transverse angular momenta and transverse linear momenta. The spatial GH and IF shifts remain unreversed as a result of the both reversions of transverse angular momenta and z-component linear momentum, while the angular GH and IF shifts are reversed due to that the z-component linear momentum is reversed and the transverse linear momenta are unreversed, at air-LHM interfaces. In addition, we perform a quantitative analysis on spin-orbit angular momentum conversion and orbit-orbit angular momentum conversion, which further helps us understand the essence of vortex beam shifts at air-LHM interfaces and their fundamental distinctions with those at air-RHM interfaces.

研究动机与目标

• 系统研究抛物形涡旋光束在空气-LHM界面处的空间与角Goos-Hänchen及Imbert-Fedorov位移。
• 阐明横向线动量与角动量在决定LHM界面处光束位移行为中的作用。
• 对比LHM界面与传统右手材料（RHM）界面处的光束位移特性。
• 定量分析界面处的自旋-轨道与轨道-轨道角动量转换。
• 提供LHM介质中动量守恒与光束位移起源的完整物理图像。

提出的方法

• 采用角谱法推导包含纵向分量的反射与透射涡旋光束的电场分布。
• 利用菲涅尔系数在中心入射角附近的的一阶泰勒展开，模拟光束传播与位移效应。
• 采用基于算子的方法计算空间与角位移，该方法与传统方法不同，提高了计算效率。
• 计算入射、反射与透射光束的线动量与角动量密度，追踪位移的起源。
• 对界面处的自旋-轨道与轨道-轨道角动量转换进行定量分析。
• 将结果与空气-RHM界面处的结果进行对比，突出动量行为的根本差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 与空气-RHM界面相比，空气-LHM界面处涡旋光束的空间与角Goos-Hänchen及Imbert-Fedorov位移有何不同？
• RQ2 在LHM界面处，空间与角位移的起源如何通过横向线动量与角动量来解释？
• RQ3 LHM中z方向线动量的反转如何影响角位移的符号？
• RQ4 轨道-轨道角动量转换在LHM界面处光束位移行为中起什么作用？
• RQ5 自旋-轨道与轨道-轨道角动量转换如何影响整体动量平衡与位移大小？

主要发现

• 由于横向角动量与z方向线动量同时反转，空气-LHM界面处的空间Goos-Hänchen与Imbert-Fedorov位移与空气-RHM界面相比保持不变。
• 由于z方向线动量反转而横向线动量保持不变，空气-LHM界面处的角Goos-Hänchen与Imbert-Fedorov位移发生反向。
• 空间位移的起源在于横向角动量守恒，而角位移则源于线动量守恒与衍射效应。
• 定量分析证实，自旋-轨道角动量转换在LHM界面处的大小保持不变但符号发生改变，与动量反转一致。
• 轨道-轨道角动量转换在LHM界面处的涡旋光束反射与透射中具有显著影响，导致角位移的反向。
• 利用角谱法推导出光束位移的理论表达式，并在包括近临界角与布儒斯特角在内的多种入射角下得到验证。