Vektorieller Spin-Orbital-Hall-Effekt von Licht bei enger Fokussierung und experimentelle Beobachtung in Azopolymerfilmen

Ein Fußballspieler kann einen statischen Ball auf die Seite treten und so den Ball dazu zwingen, sich zu drehen und in einer bogenförmigen Flugbahn zu laufen, die je nach Drehrichtung des Balls nach links oder rechts gekrümmt ist. Dies erfordert Geschick/Erfahrung. Und wenn der Ball nicht statisch ist, sondern sich dem Spieler nähert, der sich bereits dreht, erfordert die Kontrolle des Balls Kenntnisse darüber, wie man ihn je nach seinen Eigenschaften und der beabsichtigten Flugbahn manipuliert/schießt.

Ein etwas ähnlicher Effekt existiert in der Optik, nämlich der Spin-Hall-Effekt des Lichts (SHEL). Hierbei wird der optische Strahl/der Ball durch die Linse/den Spieler auf der Seite fokussiert/„gekickt“/erstmals aus der optischen Achse verschoben. Dadurch wird der Strahl nicht in der Mitte der Brennebene fokussiert, sondern mit einer gewissen Abweichung davon, abhängig vom Lichtspin (seine elektrische Felddrehung im oder gegen den Uhrzeigersinn) und der Vorticity (seine Phasendrehung). Durch die Verknüpfung der Strahleigenschaften in der Brennebene/des Fußballtors mit der Strahldrehung und der Vorticity wird es möglich, den Strahl/Ball, der das Ziel trifft, zu beherrschen.

Die Autoren von ein Artikel veröffentlicht in Optoelektronische Wissenschaft Einführung einer vektoriellen Analyse des Spin-Orbital-Hall-Effekts von Licht bei enger Fokussierung im freien Raum. Dies ist einer der auffälligsten Effekte aufgrund der Symmetriebrechung, in diesem Fall (Fokussierung) durch einen asymmetrisch einfallenden Lichtstrahl.

Der Effekt äußert sich in einer Verschiebung des fokussierten Strahls in der transversalen Brennebene, abhängig von der Richtung des Spins und des Bahndrehimpulses OAM sowie der Größe von OAM, und ist die Folge der Anforderung, den Drehimpuls (AM) zu erhalten. Ein Beispiel für diesen Effekt ist in Abbildung 1 dargestellt.

Physikalisch gesehen hat ein asymmetrischer Eingangsstrahl ein externes OAM, Lext∝(r×p), wobei r der Radius und p der lineare Impuls ist. Beispielsweise ist Ei eine elektrische Feldkomponente. Daher erfordert die Erhaltung dieses Impulses im Fokus eine Verschiebung der elektrischen Feldkomponenten außerhalb der Achse.

Ähnliche Argumente können in Bezug auf das SAM angeführt werden: Der asymmetrische Eingangsstrahl nach der Linse weist sowohl transversale als auch longitudinale SAM-Komponenten auf, ausgedrückt durch das Produkt der elektrischen Feldkomponenten Ei*Ej, und dies erfordert auch entsprechende Verschiebungen in der elektrischen Feldverteilung im Brennpunkt Flugzeug. Daher muss sich das Licht im Fokus „selbst organisieren“ oder umstrukturieren, um dem Drehimpulserhaltungsgesetz zu genügen.

Die obigen Überlegungen machen deutlich, wie wichtig es ist, die Verteilung verschiedener Komponenten des fokussierten asymmetrischen Eingangsstrahls zu kennen, die Spin und/oder Vorticity besitzen. Bisher wurden nur die Verschiebungen der Längs-/Z-Komponente des Feldes oder seiner Gesamtintensität untersucht, und zwar in Zylinderkoordinaten.

Da bei einem asymmetrischen Eingangsstrahl die azimutale Symmetrie des Systems gebrochen ist, ist es sinnvoll, kartesische Koordinaten zu verwenden, was genau das Ergebnis dieser Studie ist. Die vorliegende Arbeit zeigt sowohl analytisch als auch durch numerische Simulation, wie verschiedene elektrische Feldkomponenten bei enger Fokussierung eines asymmetrischen Lichtstrahls als Funktion von OAM und Spin verschoben werden.

Das Hauptergebnis der vorgestellten analytischen und numerischen Simulationen ist, dass bei der Fokussierung eines asymmetrischen Strahls mit Drehimpuls alle drei kartesischen Komponenten des elektrischen Feldes in der Fokusebene Verschiebungen erfahren und/oder neu verteilt werden. Die Beziehung zwischen den Verschiebungen der Feldkomponenten und den Verschiebungen/Umverteilungen der AM-Komponenten wird ebenfalls angezeigt. Diese Umverteilung von Spin und Bahndrehimpuls äußert sich in Spin-Bahn- und Bahn-Bahn-Umwandlungen und -Reorganisationen, also Spin-Bahn- und Bahn-Bahn-Wechselwirkungen.

Darüber hinaus wird auch das Auftreten einer Orbit-Spin-Umwandlung dargestellt, wenn OAM entweder direkt in SAM umgewandelt wird und/oder als Katalysator für die Umverteilung von SAM fungiert. Darüber hinaus wird zum ersten Mal der Spin-Bahn-Hall-Effekt von Licht bei enger Fokussierung im freien Raum experimentell demonstriert. Dies wird durch die Verwendung von Azopolymeren als Medium zur Erfassung der Längs- oder Z-Komponente des elektrischen Lichtfelds erreicht. Abbildung 2 zeigt eines der experimentellen Ergebnisse. Diese Erkenntnisse verdeutlichen den Hall-Effekt von Licht und könnten das Spektrum seiner Anwendungen erweitern.