光自旋霍尔效应的研究

光束在界面上发生部分反射和折射时，自旋平行于中心波矢和自旋反平行于中心波矢的光子在垂直于介质折射率梯度的方向发生微小的空间分离。这就是近期引起广泛关注的光自旋霍尔效应。光自旋霍尔效应不仅是新奇的物理现象，在量子光学信息处理和在纳米尺度上控制光有巨大的应用前景。我们从理论和实验上研究了空气-玻璃界面反射光的光自旋霍尔效应。我们在实验中还发现，对于非水平偏振或垂直偏振的入射光束，不仅出现垂直入射面的横向分离，而且出现平行于入射面的纵向分离。本项目将分析纵向分离的产生机理，测量不同偏振态、不同入射角、不同束腰下空气-玻璃界面光自旋霍尔效应引起的横向和纵向位移。分析测量晶体、磁性界面、具有周期性纳米结构的复杂界面以及飞秒超短激光脉冲光束多种界面上的光自旋霍尔效应。这些研究将为在纳米尺度上控制光自旋奠定基础。

实际光束是空间宽度有限的波包，它包含了不同波矢对应的平面波成分，它的反射和折射有别于几何光学的描述。一束线偏振光包含左旋和右旋成分，在界面折射和反射时，左旋和右旋的光子在垂直于介质折射率梯度的方向发生大小相等、方向相反的空间分离，这一现象叫做光自旋霍尔效应（spin Hall effect of light: SHEL）。这一效应不仅是反射和折射的基本问题，而且能发展微弱探测技术和量子调控方法。. 我们建立了弱探测系统，对反射光的SHEL进行了详细的理论研究和实验验证，将SHEL这一现象从各向同性介质分界面拓展到了各向同性—各向异性介质分界面。引入各向同性-各向异性介质分界面后，可通过调节晶轴取向实现光自旋调控。. 研究表明，对P偏振入射光，SHEL不仅与面外波矢分量有关，而且与面内波矢分量有关。特别是在布儒斯特角附近，只有考虑面内波矢分量的影响，才能得到符合实验的位移值。对空气-磁性薄膜界面的SHEL与空气-玻璃界面存在较大差异。对不同折射率实部和虚部的模拟显示，折射率实部的改变对P态的SHEL影响较大，对S态的SHEL影响不明显。可以通过改变磁导率控制SHEL对入射光偏振态的灵敏度。对多层介质膜，在任意线偏振态下反射光的SHEL不再大小相等，方向相反，左、右旋成分反射光的强度也不一样。尤其重要的是，膜结构对SHEL的调控作用非常显著。. 我们还观察到了入射面内的光自旋分离（in-plane spin separation of light: IPSSL），在反射光中该效应大小与SHEL接近。澄清了物理机制，并进一步给出了高斯光束在分界面处反射时几种位移的统一描述。利用IPSSL可以控制总的自旋分离大小和方向。研究了飞秒激光脉冲在空气—玻璃界面反射时的SHEL和IPSSL。由于脉冲光的持续时间受限导致了频谱展宽，不同频率成分造成的自旋分离均不相同。实际测量中，不仅要考虑不同频率成分光强的权重，还必须考虑其光谱响应度的权重。