[论文解读] "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 4

一句话总结

本文从理论角度研究了圆偏振傍轴光束中的横向能量流，区分了自旋流与轨道流分量。研究表明，由于自旋流与轨道流的相互作用，微粒的轨道旋转可在净轨道角动量为零的情况下发生，且这些流在不同光束区域中甚至可能具有相反方向或手性，从而导致尽管净轨道角动量为零，仍产生复杂的粒子运动模式。

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.

研究动机与目标

• 分析圆偏振傍轴光束中的横向能量流分量。
• 阐明自旋流与轨道流在诱导粒子运动中的作用。
• 研究这些流如何在净轨道角动量为零时仍导致轨道旋转。
• 为理解圆偏振光下光学镊子中粒子动力学提供理论基础。
• 解决结构光束中自旋角动量向轨道角动量转换中的概念模糊性。

提出的方法

• 通过拉盖尔-高斯光束的圆偏振形式，对横向能量流进行解析推导。
• 利用坡印廷矢量形式，将总横向能量流分解为自旋与轨道分量。
• 计算光束横截面内的流场分布图，以可视化自旋流与轨道流的分布。
• 采用傍轴近似简化电磁场表达式，以提升解析可处理性。
• 分析流方向反转与零流轮廓，识别具有相反流方向的区域。
• 比较流的手性与偏振手性，分析由此产生的粒子运动特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋与轨道横向能量流分量如何共同贡献于圆偏振光束中粒子的旋转？
• RQ2 当光束中净轨道角动量为零时，是否仍可发生轨道旋转？
• RQ3 粒子在光束横截面不同区域的运动方向与手性由什么决定？
• RQ4 自旋流与轨道流如何与偏振手性及光束结构相关联？
• RQ5 流方向反转与零流轮廓对光学粒子操控有何影响？

主要发现

• 自旋流与轨道流的横向能量流可具有相反方向，导致光束横截面内形成复杂流场模式。
• 在某些光束区域，总横向能量环流的手性可与偏振手性不同。
• 零横向能量流轮廓将流方向发生反转的区域分隔开，形成具有不同流行为的独立区域。
• 微粒可依据其相对于流结构与零流线的位置，发生轨道运动、自转运动或复合运动。
• 由于某一能量流分量占主导，即使净轨道角动量为零，粒子的轨道旋转仍可发生。
• 自旋流与轨道流的相互作用使得粒子操控策略可独立于光束的净轨道角动量实现。