折射率梯度引起反转的光自旋霍尔效应研究

从经典电动力学出发,研究了由折射率梯度导致的反转光自旋霍尔效应。通过分析光从光疏介质入射到光密介质和从光密介质入射到光疏介质两种情况,揭示了光自旋霍尔效应中的横移与偏振态、折射率梯度以及入射角等因素的定性关系。当入射角一定时,光从光疏介质入射到光密介质时的水平偏振横移绝对值大于垂直偏振横移,而从光密介质入射到光疏介质的情况正好与之相反,并且传输场的横移方向取决于折射率梯度方向,增大入射角能明显增强光自旋霍尔效应,对某一特定的线偏振光束,其左、右旋圆偏振光分量的横移等值反向。这些研究结果为调控光自旋霍尔效应提供了有效途径。     

多层介质中的光自旋霍尔效应研究

本文研究了光束通过多层介质分界面的光自旋霍尔效应. 以三层介质为例,建立了光束通过棱镜-空气-棱镜结构的传输模型,揭示了横移与空气介质的厚度、折射率梯度以及入射角等因素的定性关系. 发现对某一特定的圆偏振光束,改变两棱镜之间的折射率梯度可以调控横移,反射场与传输场的横移方向取决于折射率梯度. 相对于两层介质来说,高斯光束通过三层介质能明显地增强光自旋霍尔效应. 研究多层介质中光自旋霍尔效应横移的影响因素可为调控和增强光自旋霍尔效应提供理论依据. 关键词： 光自旋霍尔效应 横移 折射率梯度     

光学马格努斯效应中的横向角移分析

从平面角谱理论出发,建立了光束在空气和玻璃界面折射的传输模型.基于这一模型,揭示了光学马格努斯效应中的横向角移现象.对于特定的线偏振和椭圆偏振光束,其折射场重心出现了横向角移,而当入射光束为圆偏振时,横向角移则会消失.在正负折射率界面,光束的横向角移产生了反转现象,这是由于光束在左手材料中发生了负衍射.超高折射率可明显地减少横向角移,而超低折射率则可显著地增强横向角移.这些发现将为如何调控和增强光学马格努斯效应提供理论依据. 关键词： 光学马格努斯效应 横向角移 圆偏振     

部分相干电磁光束在湍流介质中传输的偏振变化

 从推广的惠更斯-菲涅尔原理出发，推导出了部分相干电磁光束的偏振态在湍流介质中传输的表达式。并以电磁高斯-谢尔模型(EGSM)光束为例，研究了湍流对电磁高斯-谢尔模型光束偏振态的影响。研究结果表明，对于轴上点，湍流介质的折射率结构常数越大，偏振度趋于最大值的速度越快，达到的最大值越小；光斑越大，偏振度达到最大值的位置离光源越远，在光斑增大的过程中，偏振度所达到的极大值会先增大后减小，最后保持与光源相同的偏振度不变。对于轴外点，一个固定的z，光的偏振度随着离轴距离的增大而逐渐下降，并最终等于零。折射率结构常数越大，偏振度随离轴距离的增大而下降得越缓慢；光斑越大，偏振度随离轴距离的增大下降得越快。     

转换反射中光自旋霍尔效应的自旋堆积方向

从理论上和实验上研究了转换反射中光自旋霍尔效应的自旋堆积方向的方法,建立了描述光束在空气-棱镜界面反射的自旋堆积模型,揭示了横移与光束入射偏振角的定性关系。研究发现,当入射角小于布儒斯特角时,随着入射偏振角的逐渐增大,自旋堆积的方向发生反转。而当入射角大于布儒斯特角时,自旋堆积的方向不再随入射偏振角的变化而反转。结果表明,在光束入射角为确定值且小于布儒斯特角的情况下,可以通过调控光束的入射偏振角转换自旋堆积的方向。转换自旋堆积方向的研究为有效调控光自旋霍尔效应提供了新的途径。     

高斯光束在超常材料界面的反射光束角移研究

利用角谱理论,分别研究了高斯光束在空气与负、近零、超大折射率超常材料界面上的反射光束角移现象,揭示了光束角移与传统古斯-亨兴位移和伊姆伯特-费多罗夫位移的联系与区别。研究发现,光束角移随着折射率及损耗的减小而增大;在负折射率介质界面,角移可能抵消负的古斯-亨兴位移,从而导致光束的纵向位移为正。此外,在近零折射率超常材料界面,在较大范围内不存在横向角移,而在极大折射率超常材料界面,横向角移极小。因此,零折射率和超大折射率超常材料可以用来避免反射光束角移导致的角色散。     

快速空间测角系统中偏振像差的分析与研究

快速空间测角系统需要在一定的平移范围内均能实现测量功能,这就要求光束在接收单元具有一定的覆盖面积.受器件尺寸所限,选择对入射光束进行扩束,然而非正入射光经过系统会产生偏振态变化,存在偏振像差,引起测量误差.本文通过采用偏振光线追迹的方法,结合电磁场的边界条件,对快速空间测角系统中一定方位及入射角范围内的光束通过偏振棱镜后出射光束的偏振态变化与分布进行了理论研究及仿真分析;并通过搭建实验平台,利用平移接收单元来模拟不同的入射方位及角度变化.根据实验值与仿真结果的对比分析,得出在方位角为0o时,测量误差较小,在方位角为90o时,测量误差最大,且随平移距离(即入射角)的增大,测角误差增大.验证了偏振像差的存在对系统测角带来的影响及理论分析的正确性,并提出了改进措施.所得研o究结果对优化系统结构并进一步提高系统性能具有一定的指导意义.     

关于部分偏振光能量传递和偏振态的光线椭圆分析方法

部分偏振光传播时的光强和偏振态变化情况比较复杂, 尤其是当大数值孔径成像时, 光束的偏振态还会影响成像质量. 本文提出一种用于分析部分偏振光能量传递和偏振态的光线椭圆方法, 采用光线椭圆叠加的办法来分析光束在各向同性的均匀介质中传输时能量和偏振态的变化情况, 同时直观性好, 计算量小. 论文最后, 对大数值孔径、 高像质的齐明透镜系统讨论了入射无偏振光的能量、 偏振态变化, 以及偏振效应问题. 结果表明, 大数值孔径使成像光束中TM偏振光强度相对增加, 影响成像对比度; 提高像方介质的折射率, 会改善此种偏振效应问题.     

傍轴光束在单轴左手介质中传输的矢量性质

研究了沿光轴入射的傍轴光束在单轴左手介质中传输的矢量性质.通过平面角谱的方法得到了横电(TE)波和横磁(TM)波在单轴左手介质中传输的严格解，并得到了傍轴近似下的矢量传输模型.利用这一模型，分析得到垂直于光轴方向不同偏振态的入射光束在单轴左手介质中同时激发横向场和低阶纵向场.如果单轴左手介质的介电常数张量在沿垂直于光轴方向上的元素不相等，同时磁导率张量在沿垂直于光轴方向上的两元素也不相等(即z方向为光轴方向，_x≠_y,μ_x≠μ_y),那么入射光束激发的横向场的分布与入射光束的初始场分布和偏振态有关，而纵向场的分布与入射光束的偏振态无关，只决定于入射光束的初始场分布. 关键词： 傍轴传输 单轴左手介质 矢量效应     

含双曲超构材料的复合周期结构的带隙调控及应用

等频面的拓扑结构强烈影响光在材料中的行为.通常组成光子晶体原胞的材料都是介电材料,其等频面都具有相同的封闭拓扑结构.结构最为简单的光子晶体是由两种介电材料交替组成的一维光子晶体.然而,这种传统的光子晶体在横磁和横电偏振下的光子带隙将随着入射角的增大而向短波方向移动,既不利于全向带隙的产生与展宽,又使得基于光子带隙的一些应用限制在很窄的入射角度范围内.本综述利用双曲超构材料对电磁波相位的独特调控作用,在由具有开放的等频面的双曲超构材料和具有封闭的等频面的普通介电材料交替组成的复合周期结构中实现了随入射角零移以及红移的特殊带隙,为研制具有新型功能的光学器件提供了新机理.基于零移带隙,可设计具有固定带宽的全向反射器和宽角度的近完美光吸收器.基于红移带隙,可设计宽角度的偏振选择器和超灵敏折射率传感器.     

左手材料中圆偏振光束的反常旋转特性研究

根据Whittaker标量势理论,建立了圆偏振光束的矢量传输模型.基于这一模型研究了圆偏振光束在左手材料中的反常旋转特性.通过分析光束偏振态、衍射对强度质心旋转特性的影响,发现圆偏振光束在左手材料中旋转方向反转并揭示其旋转角等于古伊相.采用分析横向能流的方法,揭示左手材料中反向的横向能流是导致反常旋转特性的主要原因.对圆偏振光束在左手材料中反常旋转特性的研究,有利于增强对左手材料中光束传输特性的认识. 关键词： 左手材料 圆偏振光束 旋转特性     

任意偏振态光束全反射时的侧向和横向位移

光束在电介质界面发生全反射时,实际反射光束会在入射面内相对于几何反射光束产生一侧向位移,在垂直于入射面的方向产生一横向位移。利用改进的能流法研究了任意偏振态光束发生全反射时的侧向和横向位移特性。研究表明,侧向位移的大小与入射光束的两组成部分———TE和TM偏振光的相位差无关,而与两组分的光强比密切相关,且该位移可以表示为TE和TM偏振光束各自的位移按光强的加权平均。横向位移的大小不仅与入射光束两组分的光强比相关,还与组分的相位差密切相关。另外,反射光束不仅在椭圆偏振态入射的情况下会产生横向位移,而且在TE和TM偏振态之外的其他线偏振态入射时,也会产生横向位移。     

Can a linearly polarized light beam polarize atomic spin?

Lax et al. [Phys. Rev. 11 (1975) 1365] discovered that a light beam in vacuum is not a transverse wave but does have a longitudinal field component. We investigate atomic and molecular electric dipole transitions induced by such a light beam, in particular, linearly polarized in a transverse plane. We derive the selection rules and the transition rates for various quantization axes using the paraxial approximation up to the first order of 1/kw, where k is the wave number and w is the transverse size of the light beam. The light beam is able to yield atomic spin polarization in the direction perpendicular to both the optical axis and the transverse electric field, and its magnitude is approximately 1/kw times that generated by a circularly polarized light wave with the similar intensity.     

Inscription of holographic gratings using circularly polarized light: influence of the optical set-up on the birefringence and surface relief grating properties

The polarization properties of the optical set-up used for holographic recording of diffraction gratings on azopolymer thin films are analyzed. The state of polarization of circularly polarized light is fully analyzed after reflection on a mirror at various incidences (Lloyd-mirror set-up). The Stokes analysis is performed using a photopolarimeter and the phase shift, the ellipticity and the azimuth orientation are compared with those calculated from Fresnel formulae. At large angles of incidence, an initially right circularly polarized (RCP) beam becomes elliptically polarized with an azimuth of nearly +45°. From these results, holographic diffraction gratings are recorded on an azobenzene-containing polymer thin film using (i) co- and contra-circularly polarized beams and (ii) a right circularly polarized beam interfering with a +45° linearly polarized light beam. Using Jones-matrix formalism, the polarization states of the diffracted orders from the birefringence (Δn) and the surface-relief (2Δd) gratings are derived and compared with experimental measurements. Finally, the induced local birefringences and surface-relief amplitudes are discussed in connection with atomic force microscopy measurements. The diffraction efficiencies obtained under the (+45°+RCP) and (LCP + RCP) (where LCP = left circularly polarized) configurations are thus compared and discussed. Received: 5 October 2001 / Revised version: 26 November 2001 / Published online: 17 January 2002     

Properties of circularly polarized vortex beams

The properties of circularly polarized vortex beams in cylindrical polarization bases are studied. A circularly polarized vortex beam is decomposed into radial and azimuthal polarization. With the proper combination of vortex charge and the handedness of the circular polarization, a focal field with an extremely strong longitudinal component as well as a flat-topped profile can be obtained. The cylindrical decomposition also sheds light on the connections between orbital angular momentum and the spin of the light beams.     

Structure of a tightly focused vortex beam in the presence of primary coma

Structure of a tightly focused circularly polarized vortex beam in the presence of primary coma has been studied by using Debye-Wolf diffraction integral. The role of topological charge and handedness of the polarization on the focused structure has been discussed. Results have been presented for the total intensity and squares of the polarization components for left-, and right circularly polarized vortex beams. Impact of coma, on the dark core of an azimuthally polarized non-vortex beam is also investigated and compared with the dark core of a circularly polarized vortex beam. The presence of comatic aberration in the focusing system results in a positional shift of the high intensity lobes, and reduction of the intensity on one side of the center. Effect of coma on the focused structure has also been discussed in the context of STED microscopy.     

Transverse displacement at total reflection near the grazing angle: a way to discriminate between theories

The transverse shift is observed and precisely measured at total internal reflection on a dielectric interface for a circularly polarized light beam when the incident angle is scanned from the critical angle up to the grazing angle close to 90°. The experimental results show with no doubt that the transverse displacement exists far away from the critical angle and only vanishes at grazing angle. A comparison with theories also allows a discrimination between the most different theoretical models traditionally used to interpret physically this effect.