前沿进展 | 光在导波约束下的新奇现象与效应——光学角动量映射与手性梯度力增强

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国·光学十大进展”评选。

1 导读

近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心多维光子学实验室（MDPL: Multi-Dimensional Photonics Laboratory）王健教授团队发现在导波约束情况下，光的自旋角动量、轨道角动量以及电磁手性等基本物理量会产生新的相互作用和光力增强效应。研究发现，在圆柱形光纤波导中，光的自旋角动量可以完全映射到轨道角动量；在对向传输的狭缝硅基波导中，被强束缚的驻波倏逝场，其电磁手性及其梯度力会大幅增强。这种导波约束下的光学角动量映射效应和手性梯度力增强效应有望为光场调控、光力操控等基础研究领域提供新的物理机制与实现方法。两项研究成果于2021年11月29日与12月1日，分别以“Spin-Orbit Mapping of Light”与“Optical Trapping Separation of Chiral Nanoparticles by Subwavelength Slot Waveguides”为题发表在Physical Review Letters同一期上。2022 | 前沿进展

2 研究背景

光作为电磁波，其频率（波长）、偏振、角动量以及电磁手性等物理量为光赋予了丰富的内涵。研究这些量的基本物理规律极大推动了光学学科与应用的发展。在以平面光波和高斯光波为主要研究对象的传统光学中，角动量与电磁手性通常仅反映在光的圆偏振状态上。近三十年来，从传统高斯光拓展到具有空间变化幅度/相位/偏振分布的结构光成为重要发展趋势。随着对结构光认知的深入，研究发现，结构光的自旋角动量、轨道角动量以及电磁手性等物理量会产生许多特殊的性质，甚至表现出新的形式，并极大促进了相关基础研究与技术应用。例如，区别于自旋角动量，相位波前呈螺旋分布的涡旋光束会携带轨道角动量，这种新的光学角动量极大推动了光通信、光学操控、光学测量及成像等技术的进步；又如，在非旁轴或强聚焦条件下，局域光会产生横向自旋或自旋-轨道耦合效应，这为光场调控、量子信息处理等提供了新的自由度；再如，光的电磁手性表征光的电矢量与磁矢量相伴随的螺旋性，电磁手性决定了手性物质的圆二色性，在周期纳米结构谐振作用下，近场结构光的电磁手性急剧增强，可大幅提高手性样品圆二色性检测灵敏度，同时，电磁手性的梯度分布会产生手性梯度力，可为手性物质分离提供新机制。

3 研究创新点

光的角动量与电磁手性等物理量除了在自由空间结构场或纳米超材料中表现出特殊性质或现象，在传输波导里会不会产生不一样的特性或效应？围绕这个问题，华中科技大学武汉光电国家研究中心王健教授团队方良博士后、王红亚博士生等研究人员，针对导波约束下的结构场（模式）进行了深入研究与分析。

他们在圆柱形光纤波导与硅基狭缝波导中，分别发现了光的自旋-轨道映射（Spin-orbit mapping）和电磁手性（Electromagnetic chirality）梯度力增强新现象。前者表现为光的自旋角动量向轨道角动量发生映射，输出光不再携带自旋角动量，并且映射过程光的总角动量保持守恒；后者可应用于手性纳米粒子的捕获与分离，为全光手性分离提供新的硅基集成平台解决方案。

1）光纤波导自旋-轨道映射新现象

自旋-轨道耦合是原子物理与近代光学中常见的基本概念和物理现象。在微纳结构或强束缚等亚波长尺度下，光的自旋-轨道耦合效应会变得非常显著，其动力来源于光子自旋与旋转的本地坐标耦合产生的贝利几何相位（Geometric phase）。

一般地，光的自旋-轨道耦合表现形式可分为两大类。一类是光的自旋依赖分裂，如图1（a）所示，通常表现为光束在传播过程中产生的自旋依赖分裂或偏移（与光的外部轨道角动量转移有关），也被称为光子自旋霍尔效应（Spin-Hall effect），类似于经典的斯登盖拉赫效应（Stern-Gerlach effect）。引起自旋分裂的光学媒质主要有偏振光栅、超表面、各种光学界面，例空气-玻璃或金属-电介质界面。另一类是自旋-轨道转换（Spin-orbit conversion），如图1（b）所示。这种自旋-轨道转换会产生携带内禀轨道角动量的涡旋光束，由圆偏振（自旋）光束在横截面上产生角向依赖的几何相位引起。该过程一般发生在强聚焦或非均匀各向异性介质中，例如光学Q板或超表面。此种情况下，输出光转化为涡旋光束的同时，还会携带与输入光相反的圆偏振态，即产生了轨道角动量，依旧保留了自旋角动量。另外，这种自旋-轨道转换并不遵循输入与输出光的总角动量守恒，因为各向异性介质为光束提供了额外的角动量。

王健教授团队在各向同性光纤介质中发现了一种新的光学自旋-轨道相互作用，即光的自旋-轨道映射。如图1（c）所示，其表现为光的自旋角动量向轨道角动量映射，输出光不再携带自旋角动量，并且映射过程光的总角动量保持守恒，其映射机理源自少模光纤一阶模群内两个矢量本征模式（即TM₀₁模与TE₀₁模）之间所固有的微弱退简并特性。这种在各向同性介质中产生的自旋-轨道映射现象，与图1（b）描述的自旋-轨道转换现象具有完全不同的作用机理与光学现象。

图1 光的自旋-轨道相互作用表现形式。（a）光的自旋依赖分裂；（b）光的自旋-轨道转换；（c）光的自旋-轨道映射。 

研究发现，这种自旋-轨道映射可以表现为两种映射方式。一种是光的内禀自旋角动量向轨道角动量映射；另一种是光的偏振旋转向模场旋转映射。值得强调的是，偏振（模场）旋转也是产生光子自旋（轨道）角动量的一种叠加态表现形式，只不过相当微弱。所以后者同样可归为自旋-轨道映射范畴。理论上，这种自旋-轨道映射现象既可以发生在一阶模群，实现自旋角动量向一阶轨道角动量模式映射，也可以跨模群实现自旋角动量向更高阶轨道角动量模式的映射。上述现象通过分析推导得到了充分论证。

图2 光纤自旋-轨道映射实验装置示意图 

实验中根据理论计算所需的自旋-轨道映射长度，剪取了一小段少模光纤，展示并验证了一阶模群内的自旋-轨道映射现象。实验装置如图2所示，实验中通过四分之一波片控制输入光的圆偏振态，通过旋转半波片控制输入光的线偏振取向。针对内禀自旋-轨道映射，实验结果如图3所示，四种不同状态的圆偏振（自旋角动量）模场输入映射到四种线偏振涡旋（轨道角动量）模式输出。

针对偏振旋转到模场旋转的自旋-轨道映射，实验结果如图4所示。实验进一步测量了自旋-轨道映射的工作带宽。结果表明，当映射效率大于80%，测得的带宽大于100纳米；即使对于90%以上的映射效率，带宽也大于50纳米。实验中，即使采用纳秒，甚至皮秒激光脉冲，依然能得到明显的自旋-轨道映射实验结果。

 图3 内禀自旋-轨道映射实验结果。（a）-(c)与（m）右旋圆偏偶LP₁₁模映射到x线偏+1阶涡旋光束；（d）-(f)与（n）右旋圆偏奇LP11模映射到y线偏+1阶涡旋光束；（g）-(i)与（o）左旋圆偏偶LP₁₁模映射到x线偏-1阶涡旋光束。（j）-(l)与（p）左旋圆偏奇LP₁₁模映射到y线偏-1阶涡旋光束。(a),(d),(g)与(j)测得的涡旋光斑。(b),(e),(h)与(k)测得的叉形干涉图。(c),(f),(i)与(l) 恢复的螺旋相位分布. (m)–(p) 映射到的模式能量权重。

图4 偏振旋转到模场旋转的自旋-轨道映射实验结果。（a）改变偏振方向（模场固定）时测得的对应模场取向（偏振不变）;（b）偏振旋转映射到模场旋转的定量测量结果。

2）狭缝波导手性梯度力增强效应

采用对向传输的耦合狭缝波导能大幅提升狭缝空间的电磁手性密度及其梯度分布，从而增大与手性极化有关的手性梯度力。叠加上该手性梯度力，传统电介质梯度力捕获粒子的平衡位置会发生显著偏移。对设计好的波导，这种偏移量完全由被捕获粒子的手性参数决定，从而使相反手性的粒子发生相反的捕获偏移，如图5所示。这种新的硅基手性分离平台，相比之前提出的全光手性分离平台，具有以下几大优势：

一方面，它利用了狭缝波导倏逝场产生的梯度力进行手性分离，与非保守的光散射力或辐射力相比，梯度力作为保守力提供的光学作用力会更加显著；另一方面，被亚波长狭缝波导强束缚的光场，能对纳米尺寸的手性粒子进行捕获分离，可有效突破自由空间光聚焦所受到的衍射极限限制。更重要地，这种硅基电介质狭缝波导，其制造工艺与当前成熟的硅基光子集成技术和CMOS工艺完全兼容，便于后续开发成光流控技术从而实现大规模手性分离。

图5 对向传输的狭缝波导全光手性捕获与分离。（a）相反的手性纳米粒子被强束缚倏逝场捕获并分离示意图；对向传输形成的准横磁模的（b）电场强度分布与（c）电磁手性（手性）增强效果；狭缝处产生的梯度力对（d）R-对映体，（e）非手性粒子，以及（f）S-对映体的捕获偏移示意图。

研究发现，这种狭缝波导对手性纳米粒子的分离程度高度依赖于狭缝的宽度参数，计算结果如6所示。对于220纳米厚的硅波导，工作波长为1550纳米时，狭缝存在宽为0.6微米左右的过渡值。接近这个值，相反手性的纳米粒子被捕获的平衡位置会重叠；越过这个值，捕获会交换位置。研究发现，导致这种现象的原因在于处在这个狭缝宽度值附近的磁场环流会出现分裂，如图6（a）-（d）所示。这种磁场分裂会影响场的电磁手性分布，从而改变手性梯度力，进而导致捕获手性粒子的总梯度力（捕获力）平衡位置的偏移，乃至交换位置，如图6（f）与6（g）所示。

图6 手性分离程度、梯度力大小与波导狭缝尺寸之间的关系。（a）-（d）狭缝高为100纳米时，四种不同宽度下的磁场分布情况；（e）不同狭缝宽度下的手性分离程度计算结果，星形为离散计算结果，曲线为拟合结果；过渡点附近不同狭缝宽度对R-对映体所产生的（f）手性梯度力与（g）总梯度力分布情况；（h）狭缝宽度为0.9微米时不同高度下的总梯度力分布情况。计算时，粒子半径取12纳米，输入光的总功率为100毫瓦，波长为1550纳米。

对设计好的狭缝波导，利用非惯性朗之万动力学（Langevin dynamics）方法能真实模拟不同手性的纳米粒子在狭缝处的捕获情况。研究显示，提出的亚波长狭缝波导所产生的手性捕获力能有效克服分子的热运动（布朗运动）以及液体的粘滞阻力，达到手性纳米粒子捕获并分离的目的。研究进一步分析了这种狭缝波导手性可分离所需满足的最小粒子尺寸与输入光功率条件，结果如图7所示。

图7 狭缝波导手性分离的粒子尺寸与输入光功率依赖性模拟调查。（a）-（c）特定粒子尺寸下，不同光功率对粒子捕获的模拟结果；（d）-（f）一定光功率下，不同尺寸的粒子被捕获的模拟结果。不同颜色的曲线代表不同手性的纳米粒子被捕获的运动轨迹。

研究发现，对于粒子半径为12纳米的手性粒子，手性可分离的光功率最小需要几毫瓦；而对于输入光功率为100毫瓦时，手性可分离的最小粒子半径约为2纳米。另外，研究还发现，通过调节狭缝波导对向传输光的相对相位差，可以控制倏逝场的驻波移动，让分离后的手性粒子随波腹而迁移，进而实现手性粒子的动态传输。

4 总结与展望光在导波约束的条件下，其角动量与电磁手性会表现出特殊的现象与效应。针对圆柱形少模光纤波导，研究发现了光的自旋角动量会向轨道角动量发生映射的新现象；针对硅基狭缝波导，研究发现对向传输的狭缝波导能大幅增强电磁手性梯度力，并能应用于手性纳米粒子的全光手性分离。两项研究工作发表在Physical Review Letters同一期上，这是对光的自旋角动量、轨道角动量以及电磁手性等物理量在导波约束下的更深入认识与揭示，有望为光场调控与光力操控在光学度量、光通信、量子光学、以及全光手性分离等应用场景提供新思路与新方法。该研究工作由华中科技大学武汉光电国家研究中心独立完成，方良博士后为第一作者，王红亚为其中一项工作的共同第一作者，王健教授为两项工作的唯一通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、中国博士后特别资助项目、博士后面上项目和湖北省重点研发计划等项目的支持。论文链接：[1] Liang Fang⁺, Hongya Wang⁺, Yize Liang, Han Cao, and Jian Wang^*, “Spin-orbit mapping of light,” Physical Review Letters, 127(23), 233901 (2021).[2] Liang Fang and Jian Wang^*, “Optical trapping separation of chiral nanoparticles by sub-wavelength slot waveguides,” Physical Review Letters, 127(23), 233902 (2021).

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