矢量光束自旋霍尔效应的弱测量及光信息器件中的应用研究

自旋霍尔效应的测量是金属和半导体物理中一个重要的研究手段，揭示出许多固体内部电子态以及相互作用的特性，是凝聚态、高能物理领域中研究的热点。光学领域里,如果将偏振的自由度加入波包表示中产生矢量光束，传输过程由于光与物质的相互作用，就会产生光的自旋霍尔效应，并且把与光偏振有关的Imbert-Fedorov 位移称为光的自旋霍尔效应。本项目从矢量光束的偏振分布入手，利用量子弱测量将实验方案，将亚波长量级的位移探测精度提高4个数量级。理论分析、实验研究矢量光束偏振分布的性质及角动量与IF位移和自旋霍尔效应定量关系。探索高阶角动量涡旋结构的矢量光束实现增强的巨自旋霍尔效应，使得光束空间位置精确控制，最小精度可达0.1nm量级，最大范围为100倍的波长。实现该效应在全光开关等微纳光信息器件中的应用提供原理。从而推动光子学、微纳光学的发展，推进建立"自旋光学"全新的研究领域，抢占未来光信息器件的制高点。

本项目主要围绕与空间有限矢量光束描述以及矢量光束的角动量、自旋霍尔效应等物理特性的理论分析实验测量开展应用基础研究，目标是实现这些效应在新型光学器件光学系统中的应用问题。.首先，通过引入了一个固定单位矢量作为自由度，利用自由空间中有限光束的电场表示理论描述了有限矢量光束，讨论了改变矢量光束偏振状态的物理参量—固定单位矢量与波矢方向的夹角，矢量光束的偏振态分布可以是空间均匀的线偏振或圆偏振光束、关于传输轴对称的柱矢量光束、空间任意分布的特殊偏振光束； 通过旋转矩阵，给出了矢量光束在单界面上反射光束与透射光束的矢量形式，理论计算了与自旋效应相关的光束的横向位移，并讨论了反射、透射位移随入射角变化的依赖关系；其次，实验上利用液晶光阀简单灵活地将线偏光变换成柱矢量光束，并通过改变外加液晶光阀上的电压就可容易的实现径向偏振和角向偏振的相互转换；搭建对称双棱镜透射光束放大位移量子弱测量实验系统，探测端光束的偏振方向与入射光束偏振方向接近垂直时，利用位置传感器测得对称双棱镜透射位移放大现象。最后，把矢量光束的描述理论与空间光通信相结合。把光束的轨道角动量相关的角相位作为空间光通信的新自由度，实现光束的轨道角动量的复用与解复用，对复用空间传输光束的强度、相位分布在传输过程的旋转等问题进行了理论分析。为光束轨道角动量作为新的自由度实现空间光通信复用与解复用提供理论依据，与波分复用、时分复用、码分复用等相关技术结合，极大提高未来通信带宽与容量，降低通信成本与能耗。.该课题从事的工作属前沿应用基础研究，通过理论、实验研究定量控制、测量空间有限矢量光束及其自旋轨道角动量的方法， 为其在微纳光信息器件中提供应用原理。这些效应不但会改变和影响人们对空间有限矢量光束及其物理特性的认识，而且在新型光器件及光学系统中应用必将发挥应有的作用，相关的新型激光性质认知、技术实现和相关应用领域的研究已经取得一定的成果。下一步将现有的理论实验结果与空间光通信系统相结合，光束轨道角动量应用到自由空间光通信中，极大提高未来通信带宽与容量，最终实现理论研究向实际技术的转化。