转换光自旋霍尔效应中自旋堆积方向的研究

作     者：魏桂萍 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗海陆;刘海辉

授予年度：2012年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：光自旋霍尔效应 自旋堆积 弱测量 自旋角动量 横移 圆偏振 

摘      要：光自旋霍尔效应是新近兴起的一种新的霍尔效应，因其重要的应用前景而受到广泛关注。光自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径，为新一代光子学器件的研制提供了理论和实验支持。同时，在纳米光学、量子信息和半导体物理体方面具有重要的应用前景。本文结合光自旋霍尔效应的基础理论，开展转换光自旋霍尔效应中自旋堆积方向的研究。研究表明：改变入射角和入射偏振角可以转换反射中自旋堆积的方向;改变折射率差可以转换折射中自旋堆积的方向。本文的主要工作如下： 第一，回顾了平面波的角谱理论。利用了平面波的复振幅表达式进行分析，揭示了单色光波在某一平面上的光场分别可以看作是不同传播方向的平面波的叠加。利用平面角谱理论推导了常规介质中高斯光束的傍轴传输方程，分析了高斯光束在常规介质界面传输时的传输特性。从角动量守恒的角度分析了光自旋霍尔效应产生横移的原因。 第二，基于高斯光束在空气-棱镜介质分界面上的传输模型，结合平面角谱理论和傅里叶变换理论，具体分析了光自旋霍尔效应中平行偏振分量和垂直偏振分量的左旋和右旋圆偏振光的场分布和光束重心横移。结果表明：对于垂直偏振分量，随着入射角的变化，自旋堆积的方向不发生反转;对于水平偏振分量，自旋堆积的方向随入射角的增大而发生反转;在布鲁斯特角附近，左、右旋圆偏振分量的横移迅速增大。在入射角为固定值的情况下，当入射角小于布鲁斯特角时，自旋堆积的方向随偏振角的增大而发生反转;当入射角大于布鲁斯特角时，虽然左右旋圆偏振分量的横移大小减少到零附近，但横移的符号并没有发生变化，自旋堆积的方向没有发生反转。采用了弱测量技术对理论结果进行了实验验证。实验结果与理论结果相符合。 第三，分析了折射场中折射率差的变化对自旋堆积方向的影响。结果表明：左、右旋的横移符号随折射率差的变化而变化，自旋堆积方向发生反转。这些结果为两层介质结构调控光自旋霍尔效应提供了理论依据。