Spin-orbit interactions of light - Cisowski, Claire Marie (2019)
Nas décadas passadas, avanços tecnológicos na área da ótica permitiram estudos de campos eletromagnéticos com grandes variações das propriedades escalares e vetoriais. Os estudos destes campos desafiaram a nossa compreensão de uma das propriedades fundamentais da luz, a saber, o momento angular. Modos Laguerre-Gauss de ordens superiores, em particular, revelaram um novo tipo de momento angular, diferente do momento angular de spin característico de feixes homogeneamente polarizados, chamado de momento angular orbital. Esta descoberta levou a discussões sobre a definição das partes do momento angular orbital e de spin da luz e sobre a independência destas quantidades. Estudos recentes indicaram que, em determinadas circunstâncias, o momento angular de spin é convertido em momento angular orbital, evidenciando o acoplamento spin-órbita da luz. Um quadro teórico geral está sendo desenvolvido para descrever as interações spin-órbita da luz, trazendo uma nova perspectiva sobre as propriedades geométricas e topológicas da luz. Esta tese visa fornecer uma visão geral da nossa compreensão atual das interações spin-orbitais da luz e apresenta alguns estudos originais para ilustrar alguns destes aspectos. Primeiramente, irei discutir como o spin e a parte orbital da luz são definidos, usando tanto o método baseado no momento simétrico quanto a abordagem da invariância canônica de Gauge, destacando as diferenças e as semelhanças das duas abordagens. Uma breve descrição de feixes carregando momento angular de spin e momento angular orbital também será fornecida. Interações spin-orbitais da luz serão introduzidas estudando como os feixes de luz se transformam, tanto de uma perspectiva algébrica quanto geométrica. Será mostrado que transformações específicas fazem com que a função de onda adquira a chamada "fase geométrica". As fases geométricas serão definidas dentro da estrutura matemática da teoria de fibras que enfatiza o papel das propriedades do espaço subjacente e permite desenhar algumas analogias entre os sistemas óticos e outros sistemas físicos. Interações spin-orbitais da luz serão interpretadas em termos de fases geométricas. Serão revistas as interações spin-órbita causadas i) pela evolução dos parâmetros que descrevem o sistema ótico, ii) pela evolução dos estados iii) e pela introdução de termos de correção na equação de movimento da centroide de feixe. Dois estudos originais serão apresentados. O primeiro evidencia interações órbitaórbita em um par de feixes assimétricos complementares, obtido na divisão da frente de onda de um feixe de Laguerre-Gauss cilíndrico por um Biprisma de Fresnel. Os resultados revelaram desvios angulares dependentes da carga topológica quando comparado com as expectativas geométricas. O segundo estudo está dedicado à transformação do momento angular orbital de um feixe ótico propagando em um gradiente vertical de índice de refração. Resultados preliminares indicam uma inversão da carga topológica do feixe propagado e mudanças astigmáticas. Além desses trabalhos, alguns breves estudos serão apresentados, tais como conversão spin-órbita em uma nano anel de ar em um substrato metálico, um estudo da condição de ortogonalidade em modos vetoriais e um estudo da interação de um par de vórtices em um feixe difratado.