[發(fā)明專利]一種用超材料產(chǎn)生橫向自旋角動(dòng)量的裝置和方法

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• 申請日: 2022-10-12
• 公開（公告）號: CN115469379A
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李汶佳;姜昭琦;徐文霞;鄭凱豪;王亦淵;關(guān)春穎;劉建龍;朱正;史金輝
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: G02B1/00
• 分類號: G02B1/00;G02B27/00;G02B27/28
• 代理公司: 北京知藝互聯(lián)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 16137
• 代理人: 陳艷

本發(fā)明公開了一種用超材料產(chǎn)生橫向自旋角動(dòng)量的裝置，包括若干雙各向異性超單元組成的周期結(jié)構(gòu)，所述雙各向異性超單元包括具有磁電耦合特性的雙各向異性圓柱體和支撐體，所述雙各向異性圓柱體一端開設(shè)有圓柱孔，所述雙各向異性圓柱體嵌設(shè)在支撐體內(nèi)，支撐體的中心與所述雙各向異性圓柱體的中心重合。同時(shí)公開了一種以上述裝置的用超材料產(chǎn)生橫向自旋角動(dòng)量的方法，采用上述用超材料產(chǎn)生橫向自旋角動(dòng)量的裝置和方法，具有結(jié)構(gòu)簡單，既能實(shí)現(xiàn)磁場的橫向自旋角動(dòng)量，也能夠?qū)崿F(xiàn)電場的橫向自旋角動(dòng)量，切換方式簡單，利用周期結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生大范圍的、穩(wěn)定的橫向自旋角動(dòng)量，在光子集成、偏振操縱、計(jì)量和量子技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電磁技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種用超材料產(chǎn)生橫向自旋角動(dòng)量的裝置和方法。

背景技術(shù)

光攜帶自旋角動(dòng)量，它與光的偏振態(tài)有關(guān)。在自由空間中，左旋圓偏振光與右旋圓偏振光受橫向條件的約束，其自旋角動(dòng)量的方向平行于波矢的方向。而在大多數(shù)受限系統(tǒng)中，光的自旋角動(dòng)量的方向與波矢的方向正交，此時(shí)光具有橫向自旋角動(dòng)量，電場或磁場存在與波矢方向平行的非零縱向分量。橫向自旋角動(dòng)量拓寬了光自旋軌道相互作用的研究范疇，并在射頻和光學(xué)領(lǐng)域有重要應(yīng)用，比如非對稱散射、定向自發(fā)輻射和自旋控制輻射等。

超材料是一種三維人造復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，具有引導(dǎo)和控制電磁波傳播的性能，能夠?qū)崿F(xiàn)天然材料無法實(shí)現(xiàn)的光學(xué)效應(yīng)。近年來，雙各向異性超材料的磁電耦合特性引起了人們的關(guān)注，研究表明可以通過這一特性實(shí)現(xiàn)電場或磁場的橫向自旋。但是如何利用簡單的結(jié)構(gòu)同時(shí)實(shí)現(xiàn)磁場和電場的橫向自旋是當(dāng)前該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種超材料產(chǎn)生橫向自旋角動(dòng)量的裝置和方法，具有結(jié)構(gòu)簡單，既能實(shí)現(xiàn)磁場的橫向自旋角動(dòng)量，也能夠?qū)崿F(xiàn)電場的橫向自旋角動(dòng)量，切換方式簡單，利用周期結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生大范圍的、穩(wěn)定的橫向自旋角動(dòng)量。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用超材料產(chǎn)生橫向自旋角動(dòng)量的裝置，包括若干雙各向異性超單元組成的周期結(jié)構(gòu)，所述雙各向異性超單元包括具有磁電耦合特性的雙各向異性圓柱體和支撐體，所述雙各向異性圓柱體一端開設(shè)有圓柱孔，所述雙各向異性圓柱體嵌設(shè)在支撐體內(nèi)，支撐體的中心與所述雙各向異性圓柱體的中心重合。

優(yōu)選的，所述支撐體為長方體，所述支撐體采用的材料的介電常數(shù)為1.09，所述長方體的長、寬和高分為40mm、34.64mm以及27mm；

所述雙各向異性圓柱體采用的材料的介電常數(shù)為39，所述雙各向異性圓柱體半徑為15mm，所述雙各向異性圓柱體的高度為12mm；圓柱孔的半徑與雙各向異性圓柱體半徑的比值為0.63，圓柱孔與雙各向異性圓柱體半徑的比值為0.38。

一種基于上述裝置的用超材料產(chǎn)生橫向自旋角動(dòng)量的方法，具體步驟如下：

步驟S1：建立坐標(biāo)系；

步驟S2：輸入固定方向傳播的線偏振光和沿相應(yīng)方向振動(dòng)的入射電場，得到相應(yīng)磁場或電場的自旋，并通過相應(yīng)參數(shù)表示橫向自旋角動(dòng)量。

優(yōu)選的，在步驟S1中，以其中一個(gè)雙各向異性圓柱體的旋轉(zhuǎn)軸為y軸建立坐標(biāo)系，支撐體的長與x軸平行，支撐體的寬與z軸平行。

優(yōu)選的，在步驟S2中，

線偏振光沿x軸方向傳播，當(dāng)電場沿z軸方向振動(dòng)時(shí)，z軸方向的入射電場激發(fā)雙各向異性超材料中z軸方向的電場Ez，y軸方向的入射磁場激發(fā)雙各向異性超材料中y軸方向的磁場Hy，z軸方向的入射電場激發(fā)雙各向異性超材料中x軸方向的磁場Hx，雙各向異性超材料中Hx與Hy之間具有90°的相位差，產(chǎn)生了磁場的橫向自旋；

斯托克斯參數(shù)S₃與總光強(qiáng)S₀的比值用來表示歸一化的橫向自旋角動(dòng)量，表示磁的橫向自旋角動(dòng)量的強(qiáng)度，表示總磁場強(qiáng)度，Hx與Hy大小相同時(shí)會產(chǎn)生最大的磁的橫向自旋角動(dòng)量；