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QUICK REVIEW

[论文解读] The magnetic and electric transverse spin density of spatially confined light

Martin Neugebauer, Jörg S. Eismann|Max Planck Digital Library|Nov 28, 2017
Orbital Angular Momentum in Optics被引用 8
一句话总结

本文提出了一种新颖的实验技术，利用高折射率纳米粒子作为局域探针，同时测量强聚焦、空间受限光束中的磁性和电性横向自旋密度（TSD）。该方法揭示，在线性偏振光束中，磁性和电性TSD分量相互正交；而在方位角和径向偏振光束中，二者表现出互补分布，证明了其在自旋-动量锁定中的不同作用。

ABSTRACT

When a beam of light is laterally confined, its field distribution can exhibit points where the local magnetic and electric field vectors spin in a plane containing the propagation direction of the electromagnetic wave. The phenomenon indicates the presence of a non-zero transverse spin density. Here, we experimentally investigate this transverse spin density of both magnetic and electric fields, occurring in highly-confined structured fields of light. Our scheme relies on the utilization of a high-refractive-index nano-particle as local field probe, exhibiting magnetic and electric dipole resonances in the visible spectral range. Because of the directional emission of dipole moments which spin around an axis parallel to a nearby dielectric interface, such a probe particle is capable of locally sensing the magnetic and electric transverse spin density of a tightly focused beam impinging under normal incidence with respect to said interface. We exploit the achieved experimental results to emphasize the difference between magnetic and electric transverse spin densities.

研究动机与目标

  • 在高度受限的光学场中，实验区分磁性和电性横向自旋密度（TSD）。
  • 开发一种基于探针的方法，能够在纳米尺度上同时重建磁性和电性TSD分量。
  • 通过比较磁性和电性贡献，验证光TSD中双重对称性（电磁对偶性）的理论预测。
  • 证明方位角和径向偏振光束分别表现出纯磁性和纯电性TSD，从而实现对自旋-动量锁定效应的选择性探测。

提出的方法

  • 使用高折射率介质纳米粒子作为局域场探针，在可见光谱范围内具有共振的磁偶极和电偶极响应。
  • 将探针置于介电界面附近，并在正入射条件下用强聚焦光束照射。
  • 测量探针散射光的远场辐射图案，该图案编码了电场和磁场横向自旋密度的方向信息。
  • 分析散射强度的角依赖性，以重建磁性和电性TSD分量的空间分布。
  • 对高斯光束和圆柱矢量光束（方位角和径向偏振）进行TSD的理论建模，以与实验数据对比。
  • 使用线性偏振光束验证该技术，并进一步应用于矢量光束，以突出磁性和电性TSD之间的对偶性。
Figure 1: Transverse spin density (TSD) of a linearly polarized Gaussian beam. (a) depicts the energy density $w$ and the spin density $\mathbf{s}$ (yellow arrowheads). (b) illustrates the transverse $x$ - and $y$ -components of $\mathbf{s}_{E}$ and $\mathbf{s}_{H}$ .
Figure 1: Transverse spin density (TSD) of a linearly polarized Gaussian beam. (a) depicts the energy density $w$ and the spin density $\mathbf{s}$ (yellow arrowheads). (b) illustrates the transverse $x$ - and $y$ -components of $\mathbf{s}_{E}$ and $\mathbf{s}_{H}$ .

实验结果

研究问题

  • RQ1如何在强聚焦光束中实验区分横向自旋密度的磁性和电性分量？
  • RQ2在强聚焦的线性偏振高斯光束中，磁性和电性TSD的空间分布是怎样的？
  • RQ3在方位角和径向偏振光束中，磁性和电性TSD分量的行为如何？它们是否遵循电磁对称性预测的对偶性？
  • RQ4对散射远场图案的实验测量在多大程度上能准确重建横向自旋密度分量？
  • RQ5该探针方法能否分辨结构光场中磁性和电性TSD分量的正交特性？

主要发现

  • 在强聚焦的线性偏振高斯光束中，实验观测到磁性和电性横向自旋密度分量彼此旋转90°，证实了理论预测。
  • 在方位角偏振光束中，电场保持完全横向，理论上电性TSD为零，而实验测得强磁性TSD，证实了纯磁性自旋密度的存在。
  • 在径向偏振光束中，磁场发展出横向分量，导致弱磁性TSD，而电性TSD显著增强，证实了纯电性自旋密度的存在。
  • 纳米粒子探针的实验远场辐射图案与理论模拟结果高度一致，验证了该技术在测量磁性和电性TSD分量方面的有效性。
  • 结果表明，方位角和径向偏振光束可作为互补工具，用于隔离和研究自旋-动量锁定现象中磁性与电性TSD的影响。
  • 本研究通过实验分辨磁性和电性TSD分量的双重对称性，证实了光的角动量中电磁对偶性的原理。
Figure 2: Experimental concept and setup. (a) Sketch of an incoming tightly focused beam being probed by a silicon nano-particle sitting on a glass substrate. The light scattered and transmitted into the glass half-space is collected in the far field. Only the light emitted into the solid angle abov
Figure 2: Experimental concept and setup. (a) Sketch of an incoming tightly focused beam being probed by a silicon nano-particle sitting on a glass substrate. The light scattered and transmitted into the glass half-space is collected in the far field. Only the light emitted into the solid angle abov

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