波导中相干光子的自旋与轨道角动量

光子的自旋角动量对应于光的偏振自由度，此类多样的偏振性质源于光量子力学性质的宏观体现。光的轨道自由度亦被操控以形成具有轨道角动量的光涡旋，其同样量子化。然而，一般认为光子的自旋与轨道角动量无法以规范不变的方式从总角动量中分离。本文中，我们针对波导中传播的激光源发出的相干单色光线重新审视该问题。我们通过对应经典坡印廷矢量，获得了自旋与轨道角动量的螺旋分量。借助使用相干态的标准量子场论，我们得到了自旋与轨道角动量算符的规范无关表达式。推导过程中，考虑有限的横截面积至关重要，这导致沿传播方向的有限纵向分量，从而允许分离。因此，有限模式剖面是证明该分离合理性的关键，而只要我们在标准量子电动力学（QED）中使用平面波展开便无法做到。我们的结果表明，至少对于在波导及具有有限模式剖面的真空中传播的相干光子，自旋与轨道角动量是定义良好的量子力学自由度。