基于非均匀Pancharatnam-Berry相位调控光子自旋霍尔效应

Photonic spin hall effect (PSHE) is a fundamental effect in optics. It is an analogy of its electronic counterpart, which manifests itself as spatial separation of photon spins. The induced spin-dependent splitting by the PSHE is generally very tiny and of the order of a wavelength. Therefore, how to enhance this tiny effect and develop the relevant ways of manipulation are important contents in spinoptics. Based on the consideration of inhomogeneous Pancharatnam-Berry phase, we would like to build the internal connection between the PSHE and the Pancharatnam-Berry phase, and propose that the different refractive index gradient in the transverse can be employed to manipulate this phase and thereby the PSHE. The results of this research will not only provide a possible method for manipulate the spin of photon, but also pave the way for the future spin-based photonic devices.

光子自旋霍尔效应是光学中的基本效应之一，类似于电子系统中的自旋霍尔效应，表现为光子自旋态在空间上的分裂现象。光子自旋霍尔效应是一种弱效应，其诱导的光束自旋分裂值一般在亚波长量级。因此，如何有效地增强光自旋霍尔效应并发展相应的操控方法是自旋光子学的一个重要研究方向。本申请从非均匀Pancharatnam-Berry相位的角度出发，力求系统地建立它与光子自旋霍尔效应的内在联系，提出设计不同的横向折射率梯度来操控这一相位，进而调控光子自旋霍尔效应。研究结果不仅将为操控光子自旋提供一个可行的途径，还将为发展以自旋为基础的新型光子器件提供理论依据。

根据研究计划，项目组认真开展研究工作，顺利地达到了预期的研究目标。相关研究成果以项目主持人为第一作者在国际权威学术期刊Scientific Reports和Applied Physics Letters发表，并在国际学术会议SPIE/COS Photonic Asia报告了本项目的部分成果。本项目的研究成果主要分为以下两个方面。一方面，我们建立了非均匀Pancharatnam-Berry相位与光子自旋霍尔效应诱导的自旋分裂之间的内在联系，并根据上述结果，设计特定的、空间变化的非均匀超表面，来实现所需的光束自旋分裂，从而实现对光子自旋霍尔效应的调控。另外，我们发现不仅非均匀的各向异性介质，而且偏振具有空间旋转率的光束也可以用于操控Pancharatnam-Berry相位，并且更为方便，能够实现任意形式的自旋分裂和自旋霍尔效应。另一方面，我们发现打破柱矢量光束的旋转对称性，可以观察到内禀的光子自旋霍尔效应，其诱导的光束自旋分裂很大，不需借助弱测量技术就可以直接观测。同时，从几何相位梯度的角度，发展了统一描述两类几何相位与光子自旋霍尔效应之间变换关系的理论，并得出结论，即基于Pancharatnam-Berry相位的光子自旋霍尔效应有可能得到极大地增强。