光具有兩種角動量，一種是自旋角動量（SAM）,一種是軌道角動量（OAM），前者與偏振態有關，后者源自于光的相位結構，光的自旋-軌道相互作用SOI（Spin-orbit interactions）是指光的自旋角動量和軌道角動量之間的相互作用。這種效應通常比較弱，但是利用表面等離激元，近場的SOI會得到增強。

自旋角動量與軌道角動量的轉化：通過偏振操縱可產生由自旋角動量調控的攜帶軌道角動量的光學渦旋光束。特別的，由于電磁波與金屬表面自由電子集體振蕩的耦合，而且金屬納米結構表面由于其介電常數梯度很大，極大地增強了光子SOI。如圖所示，上圖為金納米球的軌道動量密度,下圖為介質納米球的軌道動量密度，明顯看出，當圓偏光入射時在金納米球附近產生了一個繞球旋轉的渦旋。

圖源：PRL.117,166803 (2016)

今天，想和大家介紹的是武漢大學徐紅星教授課題組2016年發表在PRL上的文章，題目是Strong Spin-Orbit Interaction of Light in Plasmonic Nanostructures and Nanocircuits。課題組使用圓偏振光激發金屬納米線，在納米線的端頭產生強烈的光子自旋-軌道耦合，使入射光子的自旋角動量耦合為軌道角動量，造成光子軌跡的強烈彎曲。在分支的納米波導結構中，不同自旋的光子激發的表面等離激元會被路由到分支結構的不同輸出端，從而實現了納米波導中光子自旋路由功能（詳細相關報道：表面等離激元增強的光子自旋-軌道耦合研究取得新進展）。下面詳細介紹一下文章中的具體細節：

上文提到：利用圓偏光激發時，在金屬小球附近會產生了一個渦旋場，為進一步驗證該軌道角動量是由自旋角動量轉化而來的，作者提供了電荷分布的實時演化圖（b）和沿y方向的圓極化度C的分布圖（c）。當一束線偏光激發金屬納米球的LSPR時，其表面極化電荷振蕩方向與入射偏振方向一致，且不隨時間改變。文中利用圓偏光入射時，其振蕩方向旋轉變化，表明產生的SP波獲得了軌道角動量并繞金屬納米球循環。從圖c中圓極化度C的變化來看，在近場區域圓極化度低，可見，沿z方向的自旋角動量轉化為了軌道角動量，因此，在金屬納米小球附近的OAM是由SOI過程產生和介導的。

如下所示，通過改變x和y方向的兩束線偏光的相位差設置左旋圓偏光和右旋圓偏光，渦旋的手性由入射光的自旋方向決定。

下圖中的動圖展示了沿x方向線偏振光激發的電荷分布演化圖（上圖）和圓偏振激發的結果（下圖）。結果與文中結論一致。

線偏振入射（無軌道角動量）

圓偏振入射（具有軌道角動量）

以上理論對于其他金屬結構也是適用的，如金屬納米線。接下來，作者基于這種受自旋控制的定向傳播，設計了一個具有分支的納米波導結構，進一步從實驗上實現了圓偏振光分選的路由功能。

文中納米線結構將主支路的長度設計為周期的一半，以確保在分叉處場的分布是不對稱的，從而使主支路上的SPP能夠分選到兩個輸出支路中的其中一個。spp傳播周期是由在波導中的傳播模式決定的，計算公式為：

，

*λ *為入射光波長，n為傳播模式的折射率(具體可參考文獻：PRL 107, 096801,2011) 。看到這里，我對于文中長度的設計產生疑問，長度不同真的會造成發射方向不同嗎？帶著這個疑問，進行了仿真：粗細相同的銀納米線，左邊主支路長度為2 μm，右面主支路長度為4 μm,在同種入射光下，由于支路長度不同，出光支路的確不同，這與到達分叉處的渦旋相位有關。

以上，文章的核心內容就介紹完了。