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杨元杰课题组在涡旋光领域取得重要研究进展

  近日,皇冠体育网址新皇冠体育杨元杰课题组首次发现了衍生等离激元涡旋现象。值得一提的是该现象与当今国际上普遍认可的“自旋-轨道角动量转化”理论模型的预期结果相违背。研究团队通过严格的数学推导,在解析式的基础上提出了“广义自旋-轨道角动量转化”理论模型,从而对产生该现象的物理机制进行了完美的解释。相关研究成果以“Deuterogenic Plasmonic Vortices”(衍生等离激元涡旋)为题发表在国际顶级学术期刊《Nano Letters》上。杨元杰研究员为论文第一作者和通讯作者,电子科技大学为第一完成单位。

  等离激元涡旋由于可以在亚波长尺度操控光子轨道角动量,从而成为近年来国际上的一个研究热点。等离激元透镜(Plasmonic vortex lens, PVL)是一种具有螺旋状的金属薄膜纳米狭缝结构,如图1(a)所示。用圆偏振的涡旋光束照射PLV激发SPP是产生等离激元涡旋的一种常用方法。在该领域,目前国际上普遍采用的理论模型是一个被称为“自旋-轨道角动量转化”的表达式ℓpv= ℓ+ σ + m,即激发产生的等离激元涡旋的拓扑荷ℓpv等于入射涡旋光束的自旋角动量参量σ和拓扑荷ℓ 以及PVL参量m的总和。这个式子也经常被解释为角动量守恒。该公式自被S. W. Cho等人提出以来,一直被作为该领域研究的重要依据。

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  图1 (a)和(b)等离激元涡旋透镜(PVL)的二维和三维示意图;(c)和(d) 用圆偏振高斯光束(ℓ =0, σ=1)照射m=12的PVL激发的SPP场分布图和相位分布图;(e)PLV的扫描电子显微镜照片;(f) SPP的强度分布实验结果;(g) 图(f)对应的中心区域放大图;(h) 对应的轨道角动量模式分布图;

在研究中,研究团队发现在上述理论预言的等离激元涡旋之外还会有一个很弱的涡旋,如图1(c)和(d)中的红色虚线圆所示。从图1(d)可以看到,白色虚线圆指示的涡旋拓扑荷与之前的理论ℓ + σ + m相吻合。但是中心红色圆区域这个拓扑荷为1的小涡旋则完全不能用现有的理论进行解释。而实验结果表明中心的小涡旋的确存在。杨元杰等人通过严谨的数学表达式证明同一个PVL结构会产生一系列的涡旋,类似于衍生现象,而之前国际上普遍采用的理论公式预言的等离激元涡旋仅仅其中的一种情况。因此,研究团队将这种现象称之为衍生等离激元涡旋,其中第n阶衍生等离激元涡旋的拓扑荷为image.png并且,研究人员还证明前两阶衍生等离激元涡旋占主导地位,即除了涡旋ℓ+σ+m之外,还有涡旋ℓ+σ。例如图1中显示的小涡旋刚好对应于ℓ+σ=1,从而完美地解释了之前发现的那个难以理解的“多余”的涡旋。

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  图2 同一PVL产生的各种复合等离激元涡旋的场分布(a-d)和对应的相位分布(e-h). 入射光束的拓扑荷分别为(a) ℓ =−1;(b) ℓ =−2;(c) ℓ =−3;(d) ℓ =−7.

  更为重要的是,该成果中提出的“广义自旋-轨道角动量转化”表明用一个PVL结构可以产生复合的等离激元涡旋,如图2所示。而之前要想得到复合的等离激元涡旋,必须采用结构复杂的复合结构或超表面结构。先前的文献曾表明,沿着圆环均匀分布着亮点的光束叫做“摩天轮光束”(例如图2(d)所示),在角精密测量和原子冷却等方面具有重要的应用。而该工作表明,用一个简单的PVL就可以产生“摩天轮等离激元”,这将在近场角精密测量和片上光场调控等方面具有重要的科学意义和应用前景。

  杨元杰课题组近年来一直从事涡旋光和光场调控领域的研究工作,曾发现了“轨道角动量选模原理”和“交叉相关函数奇点公式”等规律,在国际上提出了“轨道角动量梳”、“反常涡旋光束”、“反常贝塞尔涡旋光束”等概念并被国内外同行广泛引用,受邀在《Science》和《Science China》上撰写Perspective论文和邀请综述各1篇。


  论文链接:

  https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c02699 (Nano Letters 2020)

  https://doi.org/10.1007/s11433-020-1579-9 (Science China 2021)

  https://doi.org/10.1364/PRJ.384925 (Photonics Research 2020)

  https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.064007 (Physical Review Applied 2019)

  https://doi.org/10.1515/nanoph-2017-0078 (Nanophotonics 2018)

  https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.094802 (PRL 2017)

  https://science.sciencemag.org/content/357/6352/645 (Science 2017)