超材料光自旋霍尔效应的动态调控研究

We will study the dynamic manipulation of spin Hall effect of light (SHEL) of plasmonic metamaterials, including the enhancement of SHEL spin separation, the mechanism of dynamic manipulation, the selection of the materials, the fabrication and characterization of the structures. Taking into account of the materials, structures and the incident beams simultaneously, we will increase the differences of the reflection and transmission coefficients for p and s waves, efficiently break the spatial symmetry and greatly utilize the spin-orbit coupling to greatly enhance the SHEL spin separations. With strong SHEL and sufficient output power, by introducing the nonlinear materials with large third-order nonlinearity and fast response or monolayer molybdenum disulphide into the plasmonic metamaterials, we can change the refractive index or spin polarization by laser pulse pump from the understanding of the relationship between the spin-orbit coupling and the plasmonic configuration, unit configuration and the whole structures. We will investigate the impact of the energy, pulse duration and polarization state of the pump beam and optimize the parameters of the pump and the structures to realize the dynamic manipulation of the SHEL of the plasmonic metamaterials. This can lay the foundation for the fabrication of ultrafast photonic spin nanodevices.

本项目拟围绕等离基元超材料的光自旋霍尔效应(SHEL)的动态调控开展工作，主要研究内容包括SHEL自旋分离的增强、动态调控的机理、材料的选择、结构的制备和表征等。从材料、结构和入射光几方面综合考虑，提高p光、s光的反射率和透射率差异，有效打破空间对称性，充分利用自旋-轨道角动量之间的耦合。利用这些因素的联合效应增强SHEL自旋分离。在SHEL显著而且出射光较强的前提下，引入三阶非线性系数比较大同时响应比较快的非线性材料或单层二硫化钼等新型材料，确定等离基元结构和超材料单元结构以及超材料整体与自旋-轨道耦合强弱的依赖关系，通过光泵浦改变折射率或自旋极化程度。研究泵浦光能量、脉冲宽度和偏振态等的影响，优化泵浦光和界面结构参数，实现等离基元超材料SHEL的动态调控，为制备超快纳米光自旋器件奠定基础。

光束在界面折射和反射时，折射率梯度导致左旋和右旋的光子在垂直于入射面的方向会发生大小相等、方向相反的空间分离，此即光自旋霍尔效应。本项目利用光的电磁理论，重新分析了光自旋霍尔效应左旋光和右旋光的转换、位移和相干叠加，解释了对入射光偏振态的依赖，为理解光自旋霍尔效应提供了一个新的视角。分析并消除了布儒斯特角附近面内波矢分布和光束腰斑的不利影响，将反射光的光自旋霍尔效应位移从2.3微米增大至5.9微米，首次实现了空气-玻璃界面光自旋霍尔效应的直接观测，为光自旋霍尔效应的观测研究提供了一种全新的思路。利用硅超表面激发自然材料不可能出现的磁偶极子共振，在可见光波段实现S光的布儒斯特角效应。. 折射率梯度导致的光自旋霍尔效应通常非常小，超表面的巨大相位梯度可以引起动量空间的非常显著的光自旋霍尔效应，表现为实空间左旋光和右旋光的巨大偏折，而且易于调控，同时还可以对波前的相位、振幅和偏振进行灵活调控。项目利用截面为正方形的硅柱阵列制备了超表面，实现了偏振无关的光束波前控制，制作了高效率、宽波段的偏折器件。利用氧化硅玻璃超表面，只衍射分出极小部分光场，实现了在几乎不破坏原光场波前的情况下对原光场多种信息的检测。为了使超表面能够同时控制多个波长的相位，设计了亚波长的“超分子”结构，并实现了消色差和高色差两类全息，为真三维彩色全息显示奠定了基础。利用双图像双偏振编码思想和光强对偏振变化的依赖关系，实现了全息像随不同偏振态的整体或局部的颜色变化，以及63种信息通道的光学加密器件。利用超表面的传播相位和几何相位的结合，制作了一种圆偏光入射时全息像再现但其正交圆偏光入射全息像隐藏的器件，这大大提高了信息保密度。超表面的工作为动量空间的光自旋霍尔效应和光波前精密调控，以及对振幅、相位、偏振等多自由度的编码奠定了基础。