基于超表面的自旋-轨道光子元件的原理与设计

Spin-orbit interaction light (SOI) describes the mutual conversion and coupling between the photon’s spin and orbital angular momenta, which provides a promising and maneuverable degree of freedom to control the light-matter-structure interaction. The SOI-based photonic components exhibit great potential in nanophtonics, spin-optics, plasmonics, etc. The existing research focuses mainly on the SOI-induced spin Hall effect, generation and manipulation of structured optical fields, and optical force. However, much less attention has been paid to the spin-orbit photonic components, for which efficient manipulation methods are yet to be well developed or addressed..In this regard, we believe that metasurface whose optical properties can be manipulated effectively can serve as an efficient toolkit for manipulating the SOI and SOI-based photonic components. Here, we will first establish the quantitative relationship between the SOI and metasurface geometry, and design hybrid metasurfaces for engineering and tailoring the SOI, from which we could make high-efficient and multi-functional spin-orbit photonic components. Further, we plan to employ graphene, whose optical response can be tailored by an applied field, to construct graphene metasurface and design actively controllable spin-orbit photonic devices.

光的自旋-轨道相互作用（简记为SOI）是指光子的自旋与轨道角动量之间的相互耦合或转换。以SOI为基础的自旋-轨道光子元件在纳米光子学、自旋光子学、等离子光学等领域具有重要的应用前景。然而现有研究主要集中在SOI所导致的自旋霍尔效应、“结构”光场的产生和操控以及光力等方面，而对于自旋-轨道光子元件的研究尚处于起步阶断，报道较少。究其原因，可能是人们尚未找到有效调控光子SOI的方法。.而我们认为，超表面、人工微纳结构以及石墨烯等材料，其光学响应可人为操控，可作为调控光子SOI的有效媒介，将为设计可控的自旋-轨道光子元件提供独特而方便的机会。本项目将在建立超表面的结构参数与光子SOI之间的定量变换关系的基础上，设计合适的超表面来操控光子SOI。并以此为基础，设计高效的、多功能的自旋-轨道光子元件。进一步设想结合石墨烯来构造光学响应可由外场控制的复合超表面，设计可主动调控的自旋-轨道光子元件。

光的自旋-轨道相互作用（简写为SOI）是指光子的自旋与轨道自由度之间的相互耦合或转换。光子SOI主要表现为两种现象：自旋霍尔效应和自旋可控的涡旋的产生。实际上，许多光学体系中的SOI的内在机理还很模糊。作为两种不同形式的SOI，它们之间的内在联系是什么？能否建立统一的理论框架来描述并操控它们？这些问题之前也并不清楚。通过本项目的研究，我们已基本上解决了上述问题。.本项目的主要研究内容如下：我们首先建立了一般化的全波理论来统一描述典型光学体系中的SOI，发现一类新的几何相位，即动量相关的Pancharatnam-Berry相位，它在光子SOI中扮演十分重要的角色，这一相位与坐标相关的Pancharatnam-Berry相位非常类似。我们还揭示了光学中两种SOI之间存在有趣的拓扑相变现象及其蕴含的深刻物理机制；重新解释了自旋-轨道光子学领域中一些似是而非的结论，比如布儒斯特角附近反常的光子自旋霍尔效应、光子轨道霍尔效应的机制等。这为有效操控光子SOI夯实了理论基础，并提供了可行的途径。最后，我们设计并制作了特定的Pancharatnam-Berry超表面来调控和增强光子SOI，并对相关结果进行了实验验证。.这些结果加深了人们对光子SOI的理解，将不同体系中的光子SOI和两种不同的SOI统一在一个简单的理论框架之下，极大地拓展了自旋-轨道光子学的内涵和外延，为设计和发展以SOI为基础的自旋-轨道光子元件奠定坚实的基础。