结构电磁场中的光学多极力矩：关于“螺旋度梯度”力矩、四极力矩与场梯度自旋
光学
2021-12-20 v1
摘要
结构光通过光学力和力矩与物质发生机械相互作用。光学力矩传统上通过包围物体的体积内总角动量（AM）的通量计算。在[Phys. Rev. A 92, 043843 (2015)]中，提出了一种强力方法，将光学力矩从光学AM的自旋部分和轨道部分的通量中分别计算，提供了有用的物理洞见。然而，该方法预测了一种依赖于光束螺旋度密度梯度的新型偶极力矩，与先前的力矩计算不一致。在本工作中，我们意图澄清这一差异并消除混淆。我们从第一性原理详细推导了使用总AM通量的传统偶极总力矩，以及基于相应AM贡献的自旋和轨道力矩分量，确保它们的和与总力矩一致。我们还针对数值积分测试了推导的解析表达式，结果完全吻合。我们发现“螺旋度梯度”力矩项确实分别存在于自旋和轨道分量中，但我们给出了修正的预因子，使得将它们相加时相互抵消，从而“螺旋度梯度”项从总偶极力矩中消失，调和了文献结果。我们还推导了四极力矩的解析表达式，表明其与EM场梯度的自旋成正比，而非如文献中有时错误假设的局部EM场自旋。我们提供了反直觉情形的例子，其中EM场梯度的自旋与局部EM自旋表现非常不同。朴素地使用局部EM场自旋会导致对具有四极和高阶多极强贡献的大粒子力矩的错误预测，尤其在结构化入射场中。
引用
@article{arxiv.2112.09256,
title = {Optical multipolar torque in structured electromagnetic fields: on `helicity gradient' torque, quadrupolar torque and the spin of field gradient},
author = {Lei Wei and Francisco J. Rodríguez Fortuño},
journal= {arXiv preprint arXiv:2112.09256},
year = {2021}
}