光子晶体中光自旋霍尔效应及其调控研究

Spin Hall effect of light (SHEL) is a transport phenomenon that photons with opposite spin angular momentum will deviate from each other, leading to a spin-dependent splitting, when a beam propagates through inhomogeneous media. Further research shows that spin Hall effect of reflection and refraction light are respectively relevant for Fresnel coefficient ratio of reflection and refraction, and the larger Fresnel coefficient ratio of vertical and parallel polarized light, the more obvious corresponding effect.The SHEL may offer an effective way to manipulate photon and open a promising way to some potential applications, such as in nano-optics, quantum information, and precision survey. But SHEL in two-meadia interface is weak by reason of the small Fresnel coefficient ratio and limited degree of freedom control. It consequently becomes to one of hot topics that exploring how to enhance and control the effect. Combined with tunable polarization properties of photonic crystals, we propose to actively control and enhance SHEL by use of photonic crystals. Based on revealing new phenomenon, new features, and their physical reasons of SHEL in photonic crystals, we will explore application principle of the new all-optical devices.

光自旋霍尔效应是指光束在经过非均匀介质后，自旋角动量相反（左、右旋圆偏振）的光子在垂直于入射面的横向相互分离，造成光束的自旋分裂的现象。进一步研究表明反射和折射光的自旋霍尔效应分别与介质分界面的菲涅尔反射系数比和折射系数比密切相关，垂直偏振与平行偏振菲涅尔系数之比越大，相应效应越明显。光自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径，在纳米光学、量子信息和精密测量方面具有重要的应用前景。但由于常规两种介质的分界面的菲涅尔系数之比较小，调控自由度有限，导致光的自旋霍尔效应弱，因此寻找探索如何增强和调控这一效应的有效方法成为了一大研究热点。结合光子晶体偏振特性可调谐的特性，本课题提出利用光子晶体主动调控与增强光自旋霍尔效应。在揭示光子晶体中光自旋霍尔效应的新现象、新特性，及其物理原因的基础之上探索新型全光器件的应用原理。

光自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径，在纳米光学，量子信息和精密测量方面具有重要的应用前景。本课题基于光子晶体偏振可调特性，提出利用光子晶体主动调控光自旋霍尔效应，主要开展了四个方面的工作：（1）建立描述光子晶体中光束传输的理论模型，结合光子晶体的优良特性探讨自旋角动量与轨道角动量的相互转化等问题。具体研究了涡旋光束在空气-玻璃界面反射的情形，结果证明轨道角动量诱导的非对称分裂是两自旋分量相对于入射面的整体偏移,且认为非对称分裂的物理本质归结于自旋-轨道相互作用和轨道-轨道相互转换共同引起。（2）利用光子晶体的带隙和缺陷模特性来调控光自旋霍尔效应。具体研究了光子晶体对光子自旋角动量（偏振）的操控，得到了一维磁性光子晶体偏振无关传输的一般性条件，设计出了偏振无关的小角度空间滤波器，增强了全向禁带的宽度。（3）研究通过调节几何相位来调控光自旋霍尔效应。从理论和实验上论证了通过调整空间变化的Pancharatnam-Berry相来操控光自旋霍尔效应，总结出了利用动力学和几何相位操控光自旋霍尔效应中的自旋分裂的方法。（4）研究光自旋霍尔效应在光子晶体中的新现象和新性质，提出了在矢量光束转换与产生、光束诱导聚焦、大模场波导模式控制等方面的新应用。