[论文解读] Lateral forces on nanoparticles near a surface under circularly-polarized plane-wave illumination

Francisco J. Rodríguez‐Fortuño, Alejandro Martı́nez+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2015

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 28被引用 4

一句话总结

本文证明，即使在没有强度梯度的情况下，圆偏振平面波也能对表面附近的纳米颗粒施加侧向光学力。这种力源于自旋相关的偶极散射以及单向导引模的激发，其大小与传统光学力相当，为在平面基底上实现光驱动纳米颗粒操控开辟了新途径。

ABSTRACT

Optical forces allow manipulation of small particles and control of nanophotonic structures with light beams. Here, we describe a counter-intuitive lateral optical force acting on particles placed above a substrate, under uniform plane wave illumination without any field gradients. We show that under circularly-polarized illumination, nanoparticles experience a lateral force as a result of dipolar, spin-sensitive scattering, with a magnitude comparable to other optical forces. To this end, we rigorously calculate the force experienced by a circularly polarized dipole radiating above a surface. Unlike for linearly-polarized dipoles, force components parallel to the surface can exist, caused by the recoil of unidirectional guided modes excited at the surface and/or by dipole-dipole interactions with the induced image dipole. These results were presented and discussed in conferences [1] and [2].

研究动机与目标

• 研究在圆偏振平面波照射下，表面附近的纳米颗粒所受的光学力。
• 解释在无强度梯度条件下侧向力的起源。
• 分析偶极散射、镜像偶极子以及表面导引模在产生横向力中的作用。
• 为自旋敏感光学系统中的侧向力提供严格的理论框架。

提出的方法

• 本研究采用严格的电磁理论方法，计算位于平面基底上方的偶极子纳米颗粒所受的光学力。
• 偶极子被建模为具有圆偏振的点电偶极子，向半无限介质辐射。
• 利用麦克斯韦应力张量形式，计算光学力，同时考虑直接辐射场和散射场。
• 通过格林函数技术，显式评估界面处激发的单向导引模的贡献。
• 通过偶极-偶极相互作用势，将粒子偶极子与其在基底中的镜像偶极子的相互作用纳入考虑。
• 分析区分了自旋相关散射与表面模耦合的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在均匀圆偏振照明下，无强度梯度时，表面附近的纳米颗粒是否会产生侧向光学力？
• RQ2 在无场梯度条件下，哪些物理机制产生了这些侧向力？
• RQ3 偶极散射与镜像偶极子相互作用如何贡献于横向力？
• RQ4 界面处的单向导引模在多大程度上介导了侧向力？
• RQ5 偏振态（圆偏振）如何影响力的方向与大小？

主要发现

• 在无强度梯度的圆偏振照明下，表面附近的纳米颗粒仍会产生侧向光学力。
• 侧向力源于自旋敏感的偶极散射以及界面处激发的单向导引模的反冲。
• 该力的大小与传统梯度力相当，具有实际操控应用的潜力。
• 力的方向取决于圆偏振的旋向性，从而实现偏振控制的粒子运动。
• 偶极子与镜像偶极子之间的偶极-偶极相互作用显著贡献于力的横向分量。
• 即使仅存在单个偶极子，该力仍不为零，表明近场相互作用中存在本征的自旋-轨道耦合。