光子飓风——具有光子横向轨道角动量的时空涡旋

众所周知,光子具有沿传播方向的线性动量。光子的线性动量在光与物质的相互作用中具有重要的作用。光子与物质的动量交换可以产生光压。2018年获得诺贝尔物理学奖的光镊技术基于微纳米颗粒对光子动量改变产生的光场梯度力。光子也具有沿传播方向的角动量,包括与圆偏振相关的自旋角动量和与涡旋相位关联的轨道角动量。近年来,研究表明在高数值孔径聚焦光场和隐失波光场中存在垂直于光束传播方向的光子横向自旋角动量[1]。那么是否存在垂直于光束传播方向的光子横向轨道角动量呢(图1)?我们最新的研究给出了肯定的答案,成果发表于《自然—光子学》[2]。     

光子的自旋与光波的偏振

从宏观以及微观两个方面对光子的自旋与光波的偏振态作了简要的说明,并从原子角动量的变化规律说明了角动量与光子自旋之间的关系,也为进一步研究光的本性提供了一些观点。     

基于Pancharatnam-Berry相位调控产生混合偏振矢量光束

提出了一种基于Pancharatnam-Berry(PB)相位调控产生混合偏振矢量光束的方法.按照光轴随空间坐标变化的规律,用相位延迟为π的PB相位元件对PB相位进行操控,获得局域偏振为线偏振的矢量光束,将此矢量光束入射到四分之一波片,产生混合偏振矢量光束.通过测定斯托克斯参数重构输出光场的偏振分布,实验结果表明:当以θ0=0的线偏振光入射时,输出光场包含庞加莱球上垂直于S3轴经线圆上所有偏振态的混合矢量光场;当以θ0=π/2的线偏振光入射时,输出光场包含庞加莱球上垂直于S1轴经线圆上所有偏振态的混合矢量光场.     

原子蒸气激光法分离钆同位素的偏振选择性实验

对原子蒸气激光法分离钆同位素中的光电离选择性进行了实验研究.分析了在偏振选择定则基础上分离钆奇数同位素的基本原理;测量了电离路径中总角动量J=2→2→1→0变化时的光电离选择性;观察了光的偏振状态改变时光电离选择性的变化,通过控制光阑的大小观测到杂散光引起的光电离选择性降低;进行了外磁场对光电离选择性的影响实验,基本给出了磁场方向和大小对于光电离选择性的影响程度.在外磁场方向垂直于光束的偏振方向时,很微弱的磁场就能引起光电离选择性的降低,磁场大小在2×10-4T时就看到了明显的选择性变化.当外磁场的方向平行光束的偏振方向时,磁场对于选择性的影响就显得相对很小.     

光自旋霍尔效应及其研究进展

光束在经过非均匀介质后,自旋角动量相反(左、右旋圆偏振)的光子在垂直于入射面的横向相互分离,造成光束的自旋分裂,这种现象叫做光自旋霍尔效应.它类似于电子系统中的自旋霍尔效应:自旋光子扮演自旋电子的角色,而折射率梯度则起外场作用.光自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径,在纳米光学、量子信息和半导体物理方面具有重要的应用前景;同时由于它与凝聚态和高能物理中的带电粒子自旋霍尔效应有高度的相似性和共同的拓扑根源,所以又为测量自旋霍尔效应这类弱拓扑现象提供了独特而又方便的机会.文章简单介绍了光自旋霍尔效应,并总结了近几年国内外的研究进展.     

基于圆偏振探测光的光纤原子自旋进动检测技术

分析了极化碱金属气室的旋光特性,极化的原子气室宏观上可等效为一种法拉第旋光晶体,其旋光系数与原子自旋进动相关。提出了采用圆偏振探测光测量通过气室的左右旋圆偏振光相位差来实现原子自旋进动检测的思路。基于改进的全光纤反射型Sagnac干涉仪,搭建了光纤原子自旋进动检测系统,通过圆偏振探测光实现了无自旋交换弛豫态自旋进动信号的检测。在原子自旋陀螺仪实验平台上进行了实验验证并实现了陀螺效应,实验结果证明了所提理论的正确性。对陀螺性能进行了初步测试,得到其零偏不稳定性为0.29(°)/h。     

光在Metasurface中的自旋-轨道相互作用

探讨了光在Metasurface中的自旋-轨道相互作用, 理论分析了Metasurface 对圆偏振和线偏振光的转换. 结果表明: 光与具有空间非均匀性和各向异性性的Metasurface的相互作用导致了自旋-轨道角动量的耦合. 采用Metasurface与螺旋相位片组合在一起进行了验证实验, 所得实验结果与理论分析完全一致. 这些结论有助于我们更加深入理解Metasurface 对光的操控.     

量子点操控的光子探测和圆偏振光子发射

半导体量子点是研究光子与电子态相互作用的优选固态体系,并在光子探测和发射两个方向上展现出独特的技术机遇.其中基于量子点的共振隧穿结构被认为在单光子探测方面综合性能最佳,但受到光子数识别、工作温度两个关键性能的制约.利用腔模激子态外场耦合效应,有望获得圆偏振态可控的高频单光子发射.本文介绍作者提出的量子点耦合共振隧穿（QD-cRTD）的光子探测机理,利用量子点量子阱复合电子态的隧穿放大,将QD-cRTD光子探测的工作温度由液氦提高至液氮条件,光电响应的增益达到10⁷以上,并具备双光子识别能力;同时,由量子点能级的直接吸收,原型器件获得了近红外的光子响应.在量子点光子发射机理的研究方面,作者实现了量子点激子跃迁和微腔腔模共振耦合的磁场调控,在Purcell效应的作用下增强激子自旋态的自发辐射速率,从而增强量子点中左旋或右旋圆偏振光的发射强度,圆偏度达到90%以上,形成一种光子自旋可控发射的新途径.     

塞曼谱线的偏振特性

根据光子角动量的量子数等于1，以及光子角动量的方向与光的偏振态的关系，详细地解释了塞曼谱线的σ偏振和π偏振是如何形成的。     

基于光偏振旋转效应的碱金属气室原子极化率测量方法及影响因素分析

利用原子自旋效应能够实现超高灵敏度的惯性和磁场测量。一类操控原子自旋处于无自旋交换弛豫态的器件可以进行物理参数测量。碱金属气室为该类器件的敏感表头。碱金属原子密度与原子极化率是碱金属气室的重要参数,对研究原子自旋处于无自旋交换弛豫态有着重要的作用。光的偏振效应在量子计算和原子物理研究中发挥了重要作用。利用光的偏振效应能够实现对碱金属原子密度与原子极化率的检测。提出一种基于光偏振旋转效应的碱金属原子极化率测量方法。首先对碱金属气室加恒定磁场,利用激光作为检测光,根据光偏振旋转原理,检测通过气室的偏振光的法拉第旋转角,得到碱金属气室原子密度。然后将碱金属原子抽运,利用激光作为检测光,检测通过气室的偏振光的偏转角,得到碱金属原子极化率。该方法在测量原子极化率的过程中也测量了碱金属原子密度,实现利用一套系统测量两个重要参数,具有快速测量和高灵敏度等特点,简化了实验设备及过程。对两种偏转角进行仿真分析,得到该方法实验时检测激光波长变化对偏转角的影响,根据仿真图得到检测激光波长的可取范围,验证了该方法的可行性。最后分析激光器波长波动与磁场波动对其测量精度的影响,提出实验对激光器与磁场的要求。     

抽运-检测型非线性磁光旋转铷原子磁力仪的研究

报道了一种抽运-检测型的非线性磁光旋转铷原子磁力仪.其原理是线偏振光通过处于外磁场环境中被极化的原子介质后,由于原子对线偏振光中左、右圆偏成分不同的吸收和色散,导致光的偏振方向会产生与磁场相关的转动.分析了该磁力仪的工作原理,并测试了它对不同磁场大小的响应.测试结果表明,磁力仪测量范围为100—100000 nT,极限灵敏度为0.2 p T/Hz~(1/2),磁场分辨率为0.1 p T.进一步研究了不同磁场下原子系综极化态的横向弛豫时间,讨论了原子磁力仪高磁场采样率的获得方法.本文的原子磁力仪在5000—100000 n T的磁场测量范围内磁场采样率可实现1—1000 Hz范围内可调,能够测量低频的微弱交变磁场.本文的研究内容为大磁场测量范围、高灵敏度、高磁场采样率的原子磁力仪研制提供了重要参考.     

基于旋转超表面的相干自旋霍尔效应的可调光束（英文）

基于光子的自旋霍尔效应,超表面可用于光束的产生和控制。本文基于旋转变换利用一维纳米孔链设计了二维纳米孔旋转对称超表面。利用此样品,可以由左旋圆偏振(LCP)和右旋圆偏振(RCP)光的自旋霍尔效应同时产生贝塞尔光束。利用线偏振光激发,通过控制两个圆偏振光激发光束之间的相干干涉可动态调控贝塞尔光束的强度和偏振。同时,此方法还具有宽带调制的优点。     

横向塞曼激光器

横向塞曼激光器(TZL)的优异特性是:可同时产生两个垂直偏振的线偏振光,二者之间的频差从几十千赫到几百千赫(取决于磁场强度、谐振腔的各向异性和激活介质的非线性),频差连续可调;具有高的频率稳定度和频率再现度.因此,它在精密干涉计量,晶体旋光性和双折射的检测,多普勒测速等方面有广泛应用前景. TZL的工作原理是基于横向磁场(磁场方向垂直于光的传播方向)下的反常塞曼效应和激光谐振腔的各向异性.原子的发射光谱在磁场作用下发生分裂.在没有谐振腔的作用时,沿光的传播方向可接收到三种线偏振光:　　和　　,它们分别对应于磁量子数之差…     

LiNbO3∶Fe晶体中圆偏振光散射引起的偏振态变化(特邀)

报道了LiNbO3∶Fe晶体内光致散射过程中偏振态的变化.将圆偏振光聚焦成极细的光片,并将其照射在c轴沿竖直方向放置的晶体上,研究了不同入射角时的光散射现象.在散射光从产生到达到稳态的数十分钟内,散射光主要在平行于c轴的方向上产生,同时在平行于光片的方向上存在分量,散射光产生速度随入射角的增大而减小.进一步观察表明,圆...     

编者的话

自从本刊１９９４年发表刘国光先生“塞曼效应中谱线的偏振”一文［１］以来,围绕着光子动量矩问题,连同本期两篇,其发表七篇论文或读者来信［２～８］．下面作个简短的回顾．·陈印椿先生的长文［２］全面分析了光子的动量矩问题,指出刘文［１］中有两点不妥：１）未提到电偶极辐射;２）在应用磁场方向动量矩分量守恒定律时,把光子的自旋分量当成其总动量矩分量．陈文指出,塞曼效应中光子自旋沿磁场方向的分量不是好量子数．此外陈文还提出,３）刘文［１］之所以得到正确的结论,是因为用了一种可能的求解方法．·王锡绂先生的来信…     

圆偏振涡旋光致非轴向自旋和轨道运动研究

为了实现粒子的非轴向旋转操控,对圆偏振涡旋光的光致旋转特性进行了研究。理论上,利用T矩阵理论,计算光场作用于微粒的光力和力矩,分析圆偏振涡旋光场中自旋角动量和轨道角动量的取向对非轴向旋转效应的影响。研究结果表明：当轨道角动量和自旋角动量的方向相同时,粒子除受轨道矩和轴向自旋矩作用外,还受一个可观的横向自旋矩作用,可以诱导粒子同时做轨道和非轴向自旋运动;当轨道角动量和自旋角动量方向相反,则粒子受到的横向自旋矩难以驱动其做非轴向自旋运动。实验上,利用全息光镊系统捕获微米尺度的粒子,观察到粒子做轨道运动时的非轴向自旋现象,对理论研究结果进行了初步验证。     

飞秒光诱导铽镓石榴石晶体中的磁化响应研究

运用时间分辨抽运-探测光谱技术,研究了磁光晶体铽镓石榴石(TGG)在不同椭圆偏振态的飞秒激光脉冲诱导下的极化和磁化响应.研究表明,当仅存在逆法拉第效应时,探测光旋转角信号和椭圆率信号的变化方向与圆偏振抽运光的旋向相关.这是由于圆偏振光在TGG晶体中产生的瞬态有效磁场的方向依赖于圆偏振光的旋向所致.光诱导磁化过程与材料的性质有关,TGG晶体的顺磁特性决定了其自旋弛豫时间为几十飞秒.由于探测光旋转角信号和椭圆率信号的半高全宽均为500 fs左右,加之信号强度随着抽运光脉冲能量密度的增加呈线性增长,表明TGG晶 关键词： 铽镓石榴石晶体 抽运-探测光谱技术 逆法拉第效应     

塞曼效应中谱线的偏振

本文从量子力学关于测量的基本原理，光子的自旋状态以及原子在辐射过程中角动量守恒的角度出发，全面解释了塞曼效应中谱线的偏振现象，不仅包括了观察的纵效应和横效应，还包括了斜向效应。     

碳酸钙微粒光致旋转的实验和理论研究

理论分析了由于光束轨道角动量和自旋角动量传递以及微粒的特殊形状导致微粒旋转的机理.实验建立了单光束激光光镊装置,不仅可以捕获并移动直径为微米量级的微小粒子,而且利用圆偏振光与微粒之间角动量的传递,实现了对具有双折射特性的碳酸钙微粒的光致旋转.实验中发现微粒的旋转不仅取决于光束的偏振态,还与微粒本身的形状有关,解释了实验中观察到的几种旋转现象.碳酸钙微粒旋转的最高转速达到12转/秒,转速与激光功率成正比.     

基于矩阵理论的螺旋液晶透射光偏振态研究

将螺旋型液品看作是N层双折射材料晶片叠合而成,而每层光轴相对于相邻的晶片有一个小的旋转.本文基于矩阵理论,研究了光在螺旋液晶中传输时偏振态的变化.经过详细的数学推导,理论研究表明.线性偏振光经过螺旋液晶后偏振态会发生改变.当满足一定的条件时,线偏振光的偏振方向旋转90°,左旋圆偏振光经过左旋螺旋液晶后转变为右旋圆偏振光.