矢量光束的偏振与自旋

论文摘要

1992年Allen等人关于近轴标量光束轨道角动量的开创性工作【Phys.Rev.A 45,8185(1992)】把光学角动量变成了这些年来光物理的一个重要研究热点。差不多在同一时间Jordan和Hall关于方位角偏振光束的理论研究工作【Opt.Lett.19,427(1994)】又开创了矢量光束这个研究领域。1998年Berry通过对近轴光束自旋角动量的研究【Proc.SPIE 3487,6(1998)】指出,一个光束的自旋不能完全描述它的偏振状态。本论文的主要任务就是通过分析一般矢量光束偏振的表征方法来探讨偏振和自旋的关系。首先,我们在动量空间把表征平面波光束偏振的斯托克斯矢量推广到了一般的矢量光束。分析表明,矢量光束在任一动量处的斯托克斯矢量(称为广义斯托克斯矢量)依赖于该动量处横向局域坐标系的选择。为了确定一般矢量光束的广义斯托克斯矢量,我们借助最早由Stratton提出的方法用一个常数单位矢量(称为Stratton矢量)来表征这种局域坐标系选择的自由度。进一步的研究发现,尽管任一给定光束的偏振矢量在不同的局域坐标系下对应不同的广义斯托克斯矢量,但是一旦选定了Stratton矢量(或者说,一旦确定了动量空间的局域坐标系),偏振矢量和广义斯托克斯矢量具有一一对应关系。这就是说,一旦选定了Stratton矢量,广义斯托克斯矢量就可以在这个意义下表征矢量光束的偏振状态。我们还比较了这里揭示的自由度——Stratton矢量和电磁势规范自由度的类似关系。在此基础上,我们在动量空间分析了一般矢量光束的自旋和偏振的关系,发现自旋仅仅是表征偏振的广义斯托克斯矢量的纵向部分。这个结果不但与光的自旋沿着其传播方向这个众所周知的事实相符,而且还解释了为什么光的自旋不能完全描述其偏振状态。光的自旋沿着传播方向就像物理学常识一样耳熟能详,然而Bliokh等人最近在Nature Communications上发表文章【Nature Communications 5,3300(2014)】声称,他们在全反射过程中出现的衰逝波中发现了垂直于传播方向的所谓横向自旋。本论文的第二部分证明了这样的自旋其实是不存在的。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张云龙

导师: 李春芳

关键词: 矢量光束,偏振,自旋,广义斯托克斯矢量,矢量

来源: 上海大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 上海大学

分类号: O436.3

DOI: 10.27300/d.cnki.gshau.2019.000415

总页数: 48

文件大小: 1123K

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