基于超表面调控光的自旋-轨道相互作用研究

The spin-orbit interaction (SOI) of light describes the interplay and mutual conversion between photon’s spin and orbital degrees. The SOI-based photonics has great potential in many fields such as information processing and storage, particle probing and manipulation, and versatile functional photonic components. However, it is very tiny, and generally in the wavelength scale. How to effectively and actively manipulate the SOI, and further develop the corresponding methods is now the important challenge in SOI-based photonics.. Here, we will first establish the quantitative relationship between the SOI and electromagnetic metasurface geometry, and then propose to design appropriate metasurface to control the SOI. Akin to the significant enhancement of electron SOI in solid-state crystals, the SOI of light are considerably enhanced by material anisotropies and can be artificially designed in optical nanostructures, including metasurfaces. In addition, we will employ the graphene to construct graphene-based metasurfaces whose optical properties can be actively controlled by a gate voltage. This may provide an effective way to manipulate the SOI of light by an applied field. Our research can push forward to an effective and active approach to steer the SOI, and pave the way for the future SOI-based photonic applications.

光子自旋-轨道相互作用是指光子的自旋角动量与轨道角动量之间的相互耦合或转换。以自旋-轨道相互作用为基础的光子学在信息存储与处理、微粒探测与操纵、各种功能光子器件设计等方面具有巨大潜力。然而，光子自旋-轨道相互作用非常弱，一般发生在波长尺度。如何有效地增强它并发展相应的调控方法是自旋-轨道光子学面临的重要课题。 .本项目将在建立电磁超表面的结构参数与光子自旋-轨道相互作用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自旋-轨道相互作用。与电子的自旋-轨道相互作用能在固态晶体中被增强一样，光子的自旋-轨道相互作用能被材料的各向异性显著增强，因此可通过合适地设计超表面进行调控。进一步设想引入石墨烯来构造光学性质可由外加电场控制的石墨烯超表面，从而主动地调控光子自旋-轨道相互作用。研究结果将形成主动操控光子自旋-轨道相互作用的方法，为下一步发展以自旋-轨道光子学为基础的应用方向打下坚实基础。

光既可以具有自旋角动量，又可携带轨道角动量。自旋角动量与光的偏振有关，如左、右旋圆偏振光子分别携带 的自旋角动量。轨道角动量有两类，一类为内禀轨道角动量，与涡旋光场有关；另一类为外禀轨道角动量，和光束传播的轨迹有关，类似于经典粒子的机械角动量。光的自旋角动量和轨道角动量之间的相互转换和耦合被称为自旋–轨道相互作用或耦合。它是光学中的一种基本效应，广泛存在于界面的反射和折射、非均匀各向异性介质、强聚焦、粒子散射、表面波和消逝波等体系中，在光学、纳米光子学和等离子光学等领域扮演越来越重要的角色。.光的自旋–轨道相互作用主要会导致为两种现象，一种为自旋可控的涡旋光场的产生，表现为内禀轨道角动量；另一种为光的自旋霍尔效应，表现为外禀轨道角动量。在同一系统中，不同条件下，这两种现象都可能出现。例如，当光束正入射至一个突变界面时可产生自旋相关的涡旋相位，斜入射时会发生自旋霍尔位移。这两种明显不同的自旋-轨道相互作用之间究竟有何内在联系？它们的内在物理机制到底是什么？.首先我们建立了一般化的全波理论，来完全描述光束在界面反射和折射时的自旋-轨道相互作用，发现这两种自旋-轨道相互作用之间存在有趣的拓扑相变现象。这一理论不引入任何近似，不但可以回到已有的理论，还能描述之前的理论所不能描述的情形。其物理机制是由于其内在的Berry相位可以近似地看成是由方位相位和一维梯度相位的竞争和叠加而成，两类相位分别贡献于不同的自旋-轨道现象。进一步，我们提出设计合适的超构表面来调控这种自旋-轨道相互作用。我们的思想还可以推广至光学中的其它系统中的自旋-轨道相互作用。.我们的研究不但解决了自旋光子学领域一些悬而未决和似是而非的问题，并且揭示了新的现象及其所暗含的物理机制，为自旋-轨道光子学的应用开辟了道路。