光自旋轨道相互作用的调节方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种光自旋轨道相互作用的调节方法及系统，该方法包括构建以石墨烯包裹球形纳米颗粒为原点的xyz三维坐标系，利用右旋圆偏振光照射石墨烯包裹球形纳米颗粒；调节所述右旋圆偏振光的入射强度，得到石墨烯包裹纳米颗粒的散射效率谱；根据所述散射效率谱得到石墨烯包裹纳米颗粒的共振区间，在所述共振区间中固定右旋圆偏振光的入射波长，得到准静态情况下的入射电场与内部电场的双稳图像，对所述双稳图像进行仿真得到近场圆偏振图，根据近场圆偏振图判断自旋轨道相互作用。本发明专利技术为灵活调节光自旋轨道相互作用提供了一种有效并且方便的方法。并且方便的方法。并且方便的方法。

【技术实现步骤摘要】
光自旋轨道相互作用的调节方法及系统


[0001]本专利技术涉及纳米光子
，尤其涉及一种光自旋轨道相互作用的调节方法及系统。

技术介绍

[0002]自旋轨道相互作用指光子的自旋角动量(对应于经典理论中的圆偏振态)和轨道角动量(对应于经典理论中的角向相位梯度)之间相互转化。圆偏振光正入射到一个反射式的半波片后，其反射场的偏振态将转换为其正交偏振；当该半波片绕其主轴旋转时，反射正交偏振的相位也随之发生线性变化，这种相位变化与波长无关，仅与波片旋转角度有关，因此被称为几何相位。基于几何相位，可实现几何外形与电磁外形解耦。通过光子的自旋轨道相互作用实现局域相位调控。
[0003]近年来,随着对光的自旋
‑
轨道相互作用相关研究的发展,基于几何相位理论可以提供更多的自由度对光场进行调控。具有更加多样化偏振态分布的矢量光场的出现丰富了矢量光场的种类,并提供了新的调控自由度,因此被应用于光场调控、光学微加工、光学微操纵和光信息传输等领域。在线性光学过程中，自旋角动量到轨道角动量的转换与入射光强度无关。相反，在非线性光学过程中，自旋轨道相互作用可以通过调节光的输入强度来控制。非线性在光学角动量的应用中显示出巨大的潜力。此外，非线性波中的等离子体超表面证明了高阶非线性自旋轨道相互作用。但现有对光自旋轨道相互作用进行调节通常都是通过改变颗粒的形状、大小或者是拓扑粒子，这些调节方法步骤比较复杂、灵活性不够高，因此，亟需一种新的调节方法解决上述问题。

技术实现思路

[0004]为此，本专利技术实施例提供了一种光自旋轨道相互作用的调节方法及系统，用于解决现有技术中调节光自旋轨道相互作用的方法步骤比较复杂、灵活性不够高的问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种光自旋轨道相互作用的调节方法，该方法包括：
[0006]S1：构建以石墨烯包裹球形纳米颗粒为原点的xyz三维坐标系，利用右旋圆偏振光照射石墨烯包裹球形纳米颗粒，所述右旋圆偏振光沿z轴方向入射；
[0007]S2：调节所述右旋圆偏振光的入射强度，根据准静态情况下的线性和非线性归一化散射效率函数，得到石墨烯包裹纳米颗粒的散射效率谱；
[0008]S3：根据所述散射效率谱得到石墨烯包裹纳米颗粒的共振区间，在所述共振区间中固定右旋圆偏振光的入射波长，得到准静态情况下的入射电场与内部电场的双稳图像，对所述双稳图像进行仿真得到近场圆偏振图，根据近场圆偏振图判断自旋轨道相互作用。
[0009]在本专利技术的一个实施例中，步骤S2中，所述右旋圆偏振光的入射强度表示为：
[0010][0011]其中，E0表示纳米颗粒的局域场，i表示虚数单位,表示x方向的单位向量，表示y方向的单位向量，表示波数，ω表示角频率，λ表示波长，ε
h
表示背景介质的介电常数，z表示xyz三维坐标系中的z轴，t表示时间。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，所述准静态情况下的线性和非线性归一化散射效率函数的求解方法包括以下步骤：
[0013]S21：求解拉普拉斯方程在石墨烯界面处的通解，基于纳米颗粒表面的石墨烯层是一个导电率σ的导电壳层，得到边界条件；
[0014]S22：根据所述通解和所述边界条件求解出未知系数A、B；
[0015]S23：基于石墨烯的表面电导率是与场相关并且是非线性的特性，得到石墨烯的表面电导率的随机相位近似下的简化形式；
[0016]S24：根据准静态近似，结合未知系数A、B和简化形式，得到纳米颗粒内部的局域电场和外部电场的关系,并得到准静态情况下的线性和非线性归一化散射效率函数。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，步骤S21中，所述拉普拉斯方程在石墨烯界面处的通解为：
[0018][0019][0020]其中，φ
c
表示纳米颗粒内部的电势，φ
h
表示纳米颗粒外的电势，A表示系数，E0表示纳米颗粒的局域场，r表示纳米颗粒的半径，i表示虚数单位，θ表示该点与坐标原点的连线和电场x分量之间的夹角，θ
′
表示该点与坐标原点的连线和电场y分量之间的夹角。
[0021]在本专利技术的一个实施例中，步骤S21中，所述边界条件表示如下：
[0022][0023][0024]其中，E
h
、D
h
分别表示纳米颗粒外部的电场和电位移矢量，E
c
、D
c
分别表示纳米颗粒内部的线性局域场和电位移矢量，表示纳米颗粒的半径表面散度，J＝σE＝σE
c
表示电流密度矢量，r表示纳米颗粒的半径，表示石墨烯和外部分界面法线方向的单位矢量。
[0025]在本专利技术的一个实施例中，步骤S22中，所述未知系数A、B表示如下：
[0026][0027][0028]其中，Θ＝iσ/(ωaε0),i表示虚数单位，σ表示电导率，ε表示相对介电常数，ε
h
表示背景介质的介电常数，ε0表示真空介电常数，ω表示角频率，a表示纳米颗粒的半径，A表示系数，B表示石墨烯包裹的球体的偶极化率。
[0029]在本专利技术的一个实施例中，步骤S23中，所述石墨烯的表面电导率的随机相位近似
下的简化形式表示如下：
[0030][0031]其中，E
c
表示纳米颗粒内部的线性局域场，σ
g
表示石墨烯线性电导率，σ3表示石墨烯三阶非线性电导率，e，E
F
，τ分别表示电子电荷量，约化普朗克常数，费米能级，光电子弛豫时间，i表示虚数单位，ω表示角频率，υ
F
表示费米速度；
[0032]由此可知石墨烯表面电导率的非线性项是跟场紧密相关的，但是非线性电导率σ3远小于线性电导率σ
g
，因此为了能够观察到石墨烯的非线性效应，石墨烯内部电场强度必须很大。而表面等离激元共振可以使局域场增强，从而增大本来很弱的非线性效应。
[0033]在本专利技术的一个实施例中，步骤S24中，所述纳米颗粒内部的线性局域电场和外部电场的关系表示如下：
[0034][0035]其中，E
c
表示纳米颗粒内部的线性局域场，E0表示纳米颗粒的局域场，ε＝2.25表示相对介电常数，ε
h
表示背景介质的介电常数，ε0表示真空介电常数，σ
g
表示石墨烯线性电导率，i表示虚数单位，ω表示角频率，a表示纳米颗粒的半径。
[0036]在本专利技术的一个实施例中，步骤S24中，所述准静态情况下的线性和非线性归一化散射效率函数表示如下：
[0037][0038]其中，λ表示入射波长，ε
h
表示背景介质的介电常数，i表示虚数单位，a为纳米颗粒的半径，位，a为纳米颗粒的半径，α表示辐射校正过的电极化率，α0表示石墨烯包裹纳米球的电极化率，ε表示相对介电常数，ε
h
表示背景介质的介电常数，Θ＝iσ/(ω本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光自旋轨道相互作用的调节方法，其特征在于，包括：S1：构建以石墨烯包裹球形纳米颗粒为原点的xyz三维坐标系，利用右旋圆偏振光照射石墨烯包裹球形纳米颗粒，所述右旋圆偏振光沿z轴方向入射；S2：调节所述右旋圆偏振光的入射强度，根据准静态情况下的线性和非线性归一化散射效率函数，得到石墨烯包裹纳米颗粒的散射效率谱；S3：根据所述散射效率谱得到石墨烯包裹纳米颗粒的共振区间，在所述共振区间中固定右旋圆偏振光的入射波长，得到准静态情况下的入射电场与内部电场的双稳图像，对所述双稳图像进行仿真得到近场圆偏振图，根据近场圆偏振图判断自旋轨道相互作用。2.根据权利要求1所述的光自旋轨道相互作用的调节方法，其特征在于，步骤S2中，所述右旋圆偏振光的入射强度表示为：其中，E0表示纳米颗粒的局域场，i表示虚数单位,表示x方向的单位向量，表示y方向的单位向量，表示波数，ω表示角频率，λ表示波长，ε
h
表示背景介质的介电常数，z表示xyz三维坐标系中的z轴，t表示时间。3.根据权利要求1所述的光自旋轨道相互作用的调节方法，其特征在于，所述准静态情况下的线性和非线性归一化散射效率函数的求解方法包括以下步骤：S21：求解拉普拉斯方程在石墨烯界面处的通解，基于纳米颗粒表面的石墨烯层是一个导电率σ的导电壳层，得到边界条件；S22：根据所述通解和所述边界条件求解出未知系数A、B；S23：基于石墨烯的表面电导率是与场相关并且是非线性的特性，得到石墨烯的表面电导率的随机相位近似下的简化形式；S24：根据准静态近似，结合未知系数A、B和简化形式，得到纳米颗粒内部的局域电场和外部电场的关系,并得到准静态情况下的线性和非线性归一化散射效率函数。4.根据权利要求3所述的光自旋轨道相互作用的调节方法，其特征在于，步骤S21中，所述拉普拉斯方程在石墨烯界面处的通解为：述拉普拉斯方程在石墨烯界面处的通解为：其中，φ
c
表示纳米颗粒内部的电势，φ
h
表示纳米颗粒外的电势，A表示系数，E0表示纳米颗粒的局域场，r表示纳米颗粒的半径，i表示虚数单位，θ表示该点与坐标原点的连线和电场x分量之间的夹角，θ
′
表示该点与坐标原点的连线和电场y分量之间的夹角。5.根据权利要求3所述的光自旋轨道相互作用的调节方法，其特征在于，步骤S21中，所述边界条件表示如下：述边界条件表示如下：其中，E
h
、D
h
分别表示纳米颗粒外部的电场和电位移矢量，E
c
、D
c
分别表示纳米颗粒内部
的线性局域场和电位移矢量，表示纳米颗粒的半径表面散度，J＝σE＝σE
c
表示电流密度矢量，r表示纳米颗粒的半径，表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：高雷，顾笑盈，高东梁，
申请(专利权)人：苏州城市学院，
类型：发明
国别省市：