光的自旋和轨道角动量.docx

光的自旋和轨道角动量魏功祥刘晓娟刘云燕付圣贵山东理工大学理学院,山东淄博255049摘要光具有由偏振性决定的自旋角动量(SAM)和由光场空间分布决定的轨道角动量(OAM)两种不同的物理性质。重点对光的自旋和轨道角动量在光束生成和变换性质、存在形式和描述方法、力学效应、空间相干性和时间相干性、角向多普勒频移效应及参量转换与量子纠缠等方面进行对比，探索它们的现象学差别，以期更好地理解光的本性，为该领域的研究提供启发和拓展思路。总结和分析了轨道角动量的必威体育精装版研究成果，并展望了该领域的必威体育精装版研究动态。关键词物理光学;奇点光学;测量;角动量;光学涡旋;光学微操纵;量子纠缠中图分类号O436文献标识码Ａdoi:10.3788/LOP51.100004SpinandOrbitalAngularMomentumofLightWeiGongxiangLiuXiaojuanLiuYunyanFuShengguiSchoolofSciences,ShandongUniversityofTechnology,Zibo,Shandong255049,ChinaAbstractSpinangularmomentum(SAM)andorbitalangularmomentum(OAM)aretwoabsolutelydifferentphysicalpropertiesoflightwhicharedeterminedbythepolarizationandspatialdistribution,respectively.Thecomparisonofthetwopropertiesisperformedintermsofdemonstratedaboutthegenerationandconversion,existenceformanddescriptionmethod,mechanicaleffect,spatialandtimecoherence,angularDopplereffect,parameterconversionandquantumentanglement,etc.Thephenomenologyprovidesmuchofthebasisfortheexplorationandexploitationofthefield.TheprogressofOAMdevelopmentwithaneyetowardsthepromisingfutureinthefieldisreviewedandanalyzed.Keywordsphysicaloptics;singularoptics;measurement;angularmomentum;opticalvortices;opticalmicromanipulation;quantumentanglementOCIScodes260.6042;050.4865;080.4865;230.54401引言由经典的麦克斯韦方程组可知光是一种电磁波，具有能量和动量。动量可以分为线动量和角动量，角动量包括由偏振性决定的自旋角动量(SAM)和由光场空间分布决定的轨道角动量(OAM)。光与物质相互作用时不可避免地存在动量的交换。在一些情况下，会表现出较明显的力学效应。1936年，Beth[1]首次实验测量了圆偏振光通过一个半波片产生的扭矩，测量的扭矩大小与波动光学和量子力学的理论结果非常符合，证明了理想圆偏振光具有自旋角动量Jz=N?和能量W=N?ω(N为光子数)，其比值为1ω。对椭偏度为σ(-1≤σ≤1)的椭圆偏振光，自旋角动量和能量的比值为σ/ω。其中σ=±1，分别代表左旋和右旋圆偏振光，σ=0为线偏振光。偏振光除了具有自旋角动量外，还可具有轨道角动量。如何从偏振光能流中检测和区分自旋和轨道角动量是一个困扰研究者的重要问题。测量轨道角动量的第一个实验由Allen等[2]于1992年在荷兰莱顿大学的惠更斯实验室完成。实验采用拉盖尔-高斯(LG)光束，通过一个像散光学系统变换为厄米-高斯(HG)光束时对系统产生的扭矩进行测量。LG模式光束的复振幅可简写为u0(x,y,z)exp(-ikz)exp(+ilθ)，有与方位角收稿日期:2014-04-21;收到修改稿日期:2014-05-22;网络出版日期:2014-08-20基金项目:国家自然科学基金、山东省自然科学基金(ZR2013FM007)、山东省高等学校优秀中青年骨干教师国际合作培养项目作者简介:魏功祥(1971—)，男，博士，副教授，主要从事全息、相干衍射成像和图像识别等方面的研究。E-mail:weigx@100004-151,100004(2014)激光与光电子学进展θ=arctan(y/x)成正比的相位项。其中，l表征涡旋光束