2021年11月29日，《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志在线发表了武汉光电国家研究中心王健教授团队题为“Spin-orbit mapping of light”的最新研究成果。此研究发现了光学自旋-轨道映射（Spin-orbit mapping）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，用来描述电子或光子的自旋自由度与空间自由度之间的相互作用。最近二十年，随着微纳光子学的迅速发展，光的自旋-轨道相互作用（Spin-orbit interaction of light）受到了越来越广泛地关注与深入研究，并在光场调控、光学操控、手性量子光学、光与物质相互作用等方面占据着重要地位。

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。

近期，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（Spin-orbit mapping）。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，后者需要各向异性介质提供几何相位从而赋予光额外的角动量。

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，所以后者同样可以归为自旋-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 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。

该工作于2021年11月29日以Spin-orbit mapping of light为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，华中科技大学武汉光电国家研究中心为论文唯一单位，武汉光电国家研究中心方良博士后与王红亚博士生为共同第一作者，梁益泽和曹涵博士生为参与作者，王健教授为唯一通讯作者。该工作利用各向同性介质光纤本征模式退简并的特性发现了光的自旋-轨道映射新现象，是对光的自旋-轨道相互作用的进一步认识与揭示，为光的自旋或偏振自由度，以及轨道角动量自由度提供了新的操控手段，有望助力光学操控在光学计量、光通信以及量子光学等领域的研究与应用。

Liang Fang+, Hongya Wang+, Yize Liang, Han Cao, and Jian Wang*,“Spin-orbit mapping of light,” Physical Review Letters, 127(23), 233901 (2021).

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.233901