电磁波的近场自旋轨道耦合

光具有两种角动量，一种是自旋角动量（SAM）,一种是轨道角动量（OAM），前者与偏振态有关，后者源自于光的相位结构，光的自旋-轨道相互作用SOI（Spin-orbit interactions）是指光的自旋角动量和轨道角动量之间的相互作用。这种效应通常比较弱，但是利用表面等离激元，近场的SOI会得到增强。

自旋角动量与轨道角动量的转化：通过偏振操纵可产生由自旋角动量调控的携带轨道角动量的光学涡旋光束。特别的，由于电磁波与金属表面自由电子集体振荡的耦合，而且金属纳米结构表面由于其介电常数梯度很大，极大地增强了光子SOI。如图所示，上图为金纳米球的轨道动量密度,下图为介质纳米球的轨道动量密度，明显看出，当圆偏光入射时在金纳米球附近产生了一个绕球旋转的涡旋。

图源：PRL.117,166803 (2016)

今天，想和大家介绍的是武汉大学徐红星教授课题组2016年发表在PRL上的文章，题目是Strong Spin-Orbit Interaction of Light in Plasmonic Nanostructures and Nanocircuits。课题组使用圆偏振光激发金属纳米线，在纳米线的端头产生强烈的光子自旋-轨道耦合，使入射光子的自旋角动量耦合为轨道角动量，造成光子轨迹的强烈弯曲。在分支的纳米波导结构中，不同自旋的光子激发的表面等离激元会被路由到分支结构的不同输出端，从而实现了纳米波导中光子自旋路由功能（详细相关报道：表面等离激元增强的光子自旋-轨道耦合研究取得新进展）。下面详细介绍一下文章中的具体细节：

上文提到：利用圆偏光激发时，在金属小球附近会产生了一个涡旋场，为进一步验证该轨道角动量是由自旋角动量转化而来的，作者提供了电荷分布的实时演化图（b）和沿y方向的圆极化度C的分布图（c）。当一束线偏光激发金属纳米球的LSPR时，其表面极化电荷振荡方向与入射偏振方向一致，且不随时间改变。文中利用圆偏光入射时，其振荡方向旋转变化，表明产生的SP波获得了轨道角动量并绕金属纳米球循环。从图c中圆极化度C的变化来看，在近场区域圆极化度低，可见，沿z方向的自旋角动量转化为了轨道角动量，因此，在金属纳米小球附近的OAM是由SOI过程产生和介导的。

如下所示，通过改变x和y方向的两束线偏光的相位差设置左旋圆偏光和右旋圆偏光，涡旋的手性由入射光的自旋方向决定。

下图中的动图展示了沿x方向线偏振光激发的电荷分布演化图（上图）和圆偏振激发的结果（下图）。结果与文中结论一致。

线偏振入射（无轨道角动量）

圆偏振入射（具有轨道角动量）

以上理论对于其他金属结构也是适用的，如金属纳米线。接下来，作者基于这种受自旋控制的定向传播，设计了一个具有分支的纳米波导结构，进一步从实验上实现了圆偏振光分选的路由功能。

文中纳米线结构将主支路的长度设计为周期的一半，以确保在分叉处场的分布是不对称的，从而使主支路上的SPP能够分选到两个输出支路中的其中一个。spp传播周期是由在波导中的传播模式决定的，计算公式为：

，

*λ *为入射光波长，n为传播模式的折射率(具体可参考文献：PRL 107, 096801,2011) 。看到这里，我对于文中长度的设计产生疑问，长度不同真的会造成发射方向不同吗？带着这个疑问，进行了仿真：粗细相同的银纳米线，左边主支路长度为2 μm，右面主支路长度为4 μm,在同种入射光下，由于支路长度不同，出光支路的确不同，这与到达分叉处的涡旋相位有关。

以上，文章的核心内容就介绍完了。