近日，我院研究生张硕硕以首位作者在光学类国际权威期刊《Optics Express》（影响因子：3.561）上发表题为“Fully controlled photonic spin in highly confined optical field”的研究论文，指导教师为满忠胜、付圣贵。
自从Poynting的开创性工作和Beth的第一次实验验证以来，人们已经充分意识到光除了线性动量以外还携带角动量。一般来说，光的角动量可以分为两大类：自旋角动量（SAM）和轨道角动量(OAM)，这两个物理量分别与光的偏振态和相位的空间分布有关。对于圆偏振光，每个光子都携带 ± ћ的SAM，其符号取决于光的旋向性（通常指定：右旋为正，左旋为负）。考虑自由空间中沿z轴传播的一束傍轴圆偏振单色平面波，其电场矢量位于横向平面（xy平面），因此自旋角动量的方向是纯纵向的（与传播方向平行）。而对于非傍轴光束，尤其是在紧聚焦条件下会产生一个很强的纵向电场分量，这时电场矢量不再局限于横向平面，因此光可以潜在的携带一个横向的SAM分量。横向SAM的出现与纵向电场分量的存在有关，特别是当纵向和横向电场分量的相位相差± π/ 2时，根据两个分量的相对振幅，光在子午面内为圆偏振或椭圆偏振，对应光的SAM是纯横向的（与传播方向垂直）。目前，横向SAM已经被证实在自旋控制定向激发或耦合以及光学微操纵等领域具有重要应用。
相对于横向SAM，具有任意可控光子自旋结构的电磁场为更广阔的实际应用提供了可能。本文中，通过在4π显微系统中聚焦两个反向传播的新型结构光束，提出了一种用于控制高度局域聚焦电磁场的自旋取向以及椭偏度的新方法。为了实现该方法，入射结构光束由三种分别具有x偏振，y偏振和径向偏振的光束叠加而成。计算表明，通过改变三种入射光束的振幅因子，光的自旋取向可以在三维空间中不受限制。与此同时，作为另一个偏振自由度，光的椭偏度也可以实现任意控制。该研究有望在自旋可控纳米光子学以及光镊系统中找到其潜在应用。
《Optics Express》是Optical Society of America(OSA)出版社发行的光学领域的权威Top期刊，被中科院文献情报中心分在2区。
本项目得到国家自然科学基金委的资助。
