Geometrischer Spin-Hall-Effekt des Lichts

This thesis describes the journey from the theoretical idea to an experimental proof of a novel optical effect. Only recently, in 2009, an elusive beam shift phenomenon was predicted. This geometric spin Hall effect of light (SHEL) amounts to a dis- placement of a light beam, which surprisingly depends solely on the photon spin and the geometry of the detection system. In fact, this very fundamental beam shift has always been hidden in plain sight, in the structure of circularly and elliptically po- larized light beams, and can be revealed theoretically by employing a non-standard, i.e. tilted reference frame. Experimentally, the observation of the geometric SHEL relies on a physical oper- ation breaking the symmetry of a light beam. In this work, we choose to employ a polarizer for this purpose. While, the action of a polarizer is obvious for normal incidence, the structure of the light beam transmitted across a tilted polarizing in- terface is worth a closer look. To understand this physically, different polarizers are characterized, which leads to a generic polarizer model. This connects polarizing interfaces to a plethora of beam shifts. In particular, most experiments in this work use a glass polarizer submerged in a liquid with its refractive index matched to the polarizer’s substrate. This setup avoids detrimental effects occurring at the polarizer surface and allows to study polarization effects in a particularly pure manner. In fact, without this technique, i.e. using a polarizing interface in air, one cannot reproduce our results. It is shown that geometric SHEL occurs at a polarizer if the action of this devices leads to particular wave vector dependent phase term, which can be identified with Berry’s geometric phase. The occurrence of this phase results from the interplay between the angular momentum of the incident beam and the symmetry break induced by the tilted polarizer. The pinnacle of this work is the direct measurement of such polarization- dependent beam shifts with nanometre resolution. For the configuration studied experimentally, these displacements exceed one wavelength. This thesis concludes with a discussion of transverse angular momentum, the fundamental idea which motivated this work.Diese Arbeit beschreibt den Weg von der theoretischen Idee bis zum experimentellen Nachweis eines neuartigen, optischen Phänomens. Erst vor kurzem, im Jahr 2009, wurde ein Strahlverschiebungseffekt vorausgesagt, der zunächst schwierig einzuordnen war. Dieser geometrische Spin-Hall-Effekt des Lichts, im Englischen als spin Hall effect of light oder kurz SHEL bezeichnet, führt zu einer Schwerpunktsverschiebung des Lichtstrahls, die überraschenderweise nur vom Photonenspin und der Geometrie des Detektionssystems abhängt. Es handelt sich um einen fundamentalen Effekt, der sich bereits bei einer theoretischen Betrachtung der Struktur des zirkular oder elliptisch polarisierten Lichtstrahls selbst zeigt. Es ist daher umso erstaunlicher, dass dieses Phänomen so lange im Verborgenen geblieben ist. Eine experimentell Beobachtung des geometrischen SHELs verlangt nach einer physikalischen Operation, die die Symmetrie des einfallenden Strahls bricht. Im Rahmen dieser Arbeit wird hierzu ein Polarisator verwendet. Während der Effekt eines Polarisators für senkrechten Einfall bekannt ist, verdient ein zum Strahlengang verkippter Polarisator besondere Aufmerksamkeit. Um diesen Fall zu verstehen wurden verschiedene Polarisatoren charakterisiert und ein generisches Modell erarbeitet. Dieses Modell ist geeignet eine Vielzahl an Strahlverschiebungen vorauszusagen. Die Mehrzahl der in dieser Arbeit dargestellten Experimente verwendet einen Glas-Polarisator in einem mit Immersionsöl gefüllten Tank. Der Brechungsindex des Öls entspricht dem des Glassubstrats, so dass störende Oberflächeneffekte vermieden werden und Polarisationseffekte in Reinform untersucht werden können. Ohne die Immersionstechnik, dass heißt mit einem Polarisator in Luft, wäre es nicht möglich die dargestellten Ergebnisse zu wiederholen. Die Arbeit zeigt, dass der geometrische SHEL genau dann an einem Polarisator auftritt, wenn dieser zu einer vom Wellenvektor abhängigen Phase führt. Diese geometrische Phase resultiert aus dem Zusammenspiel des Drehimpulses des einfallenden Strahls mit dem Symmetriebruch, der durch den verkippten Polarisator eingeführt wird. Den Höhepunkt dieser Arbeit stellt die direkte Messung solcher polarisationsabhängigen Verschiebungen dar. In der experimentell untersuchten Konfiguration übersteigt die Schwerpunktsverschiebung eine Wellenlänge. Diese Arbeit schließt mit einer Diskussion des transversalen Drehimpulses, dem grundlegenden Konzept, das die Arbeit motiviert hat