Switching the direction of spin accumulation in the spin Hall effect of light by adjusting the optical axis of an uniaxial crystal

We theoretically and experimentally investigate a switchable spin Hall effect (SHE) of light in reflection near the Brewster angle at an air-uniaxial crystal interface. We find a large transverse spin splitting near the Brewster angle, whose sign can be altered by rotating the optical axis. As an analogy of the SHE in an electronic system, a switchable spin accumulation in the SHE of light is detected. We are able to switch the direction of the spin accumulation by adjusting the optical axis angle of the uniaxial crystal. These findings may give opportunities for photon spin manipulating and developing a new generation of nano-photonic devices.     

转换反射中光自旋霍尔效应的自旋堆积方向

从理论上和实验上研究了转换反射中光自旋霍尔效应的自旋堆积方向的方法,建立了描述光束在空气-棱镜界面反射的自旋堆积模型,揭示了横移与光束入射偏振角的定性关系。研究发现,当入射角小于布儒斯特角时,随着入射偏振角的逐渐增大,自旋堆积的方向发生反转。而当入射角大于布儒斯特角时,自旋堆积的方向不再随入射偏振角的变化而反转。结果表明,在光束入射角为确定值且小于布儒斯特角的情况下,可以通过调控光束的入射偏振角转换自旋堆积的方向。转换自旋堆积方向的研究为有效调控光自旋霍尔效应提供了新的途径。     

折射率梯度引起反转的光自旋霍尔效应研究

从经典电动力学出发,研究了由折射率梯度导致的反转光自旋霍尔效应。通过分析光从光疏介质入射到光密介质和从光密介质入射到光疏介质两种情况,揭示了光自旋霍尔效应中的横移与偏振态、折射率梯度以及入射角等因素的定性关系。当入射角一定时,光从光疏介质入射到光密介质时的水平偏振横移绝对值大于垂直偏振横移,而从光密介质入射到光疏介质的情况正好与之相反,并且传输场的横移方向取决于折射率梯度方向,增大入射角能明显增强光自旋霍尔效应,对某一特定的线偏振光束,其左、右旋圆偏振光分量的横移等值反向。这些研究结果为调控光自旋霍尔效应提供了有效途径。     

纳米金属薄膜中光子自旋霍尔效应的最佳弱测量

光子自旋霍尔效应是一种潜在的精密测量工具,在探测微结构材料结构参数变化的研究中具有重要的物理意义。基于光子自旋霍尔效应的弱测量模型研究了纳米金属薄膜中的光子自旋霍尔效应,研究结果表明当弱测量中放大角取相应的特殊值时(即最佳弱测量点),纳米金属薄膜中光子自旋霍尔效应的放大后横移值可达到最大,大大提高了光子自旋霍尔效应的探测精度;在最佳弱测量点得到的放大后横移可以更精确地推断出金属薄膜的实际厚度。实验结果与理论分析符合较好,该方法为研制基于光子自旋霍尔效应的精密测量工具提供了理论与实验基础。     

Orbit–orbit interaction and photonic orbital Hall effect in reflection of a light beam

We examine the orbit-orbit interaction when a paraxial beamwith intrinsic orbital angular momentum （IOAM） reflects at an air-glass interface. The orbital-dependent splitting of the beam intensity distribution arises due to the interaction between IOAM and extrinsic orbital angular momentum （EOAM）. In addition, we find that the beam centroid shows an orbital-dependent rotation when seen along the propagation axis. However, the motion of the beam centroid related to the orbit-orbit interaction undergoes a straight line trajectory with a small angle inclining from the propagation axis. Similar to a previously developed spin-dependent splitting in the photonic spin Hall effect, the orbital-dependent splitting could lead to the photonic orbital Hall effect.     

涡旋光束在反射中的正交偏振特性研究

本文从角谱理论出发建立了涡旋光束在空气-玻璃界面反射时的傍轴传输模型, 并研究了反射过程中诱导产生的正交偏振效应. 当一水平偏振涡旋光束以不同角度入射时, 反射光束的正交偏振分量呈现出类似于一阶厄米-高斯模式的双峰强度分布, 而水平偏振分量强度分布呈现与入射光束相似的分布, 且只在布儒斯特角附近入射时才现出与正交偏振分量垂直的双峰分布. 对于任意线偏振入射光, 其正交偏振分量的偏振方向不再垂直于入射时的偏振方向, 而是与反射光束的中心波矢垂直, 此时正交偏振分量出现有趣的旋转特性, 其物理原因归结于任意线偏振光入射时所对应的水平与垂直偏振分量的反射系数不同. 最后进行了相关实验验证, 发现实验结果与理论分析符合得较好. 关键词： 正交偏振 涡旋光束 任意线偏振     

光自旋霍尔效应中的交叉偏振特性研究

从光束角谱理论出发建立了描述光自旋霍尔效应的傍轴传输模型, 利用这一模型分析了光自旋霍尔效应中的交叉偏振特性. 通过分析交叉偏振效应强度和入射角变化的规律, 发现交叉偏振效应越强, 光自旋霍尔效应中的自旋分裂越大. 为便于实验观察, 将入射角选在光自旋霍尔效应较强的布儒斯特角附近, 观测到了强的交叉偏振效应. 增大交叉偏振分量的同时减小初始偏振分量, 可显著增强光自旋霍尔效应. 这一调控方法为研制基于光自旋霍尔效应的新型光子器件提供了理论基础.     

光束正入射至界面时的自旋-轨道相互作用及其增强

光束正入射至均匀突变界面时的自旋-轨道相互作用表现为拓扑荷数为±2的、自旋可控的涡旋相位.然而,该涡旋相位的物理来源以及界面的性质在自旋-轨道相互作用过程中起到何种作用,这些问题还有待解决.首先建立一个简洁的菲涅耳琼斯矩阵来描述这种自旋-轨道相互作用,并揭示其中的涡旋相位其实是一种贝里(Berry)几何相位,它来源于光束本身的拓扑结构,而界面的性质影响自旋-轨道相互作用的转换效率.一般情况下,转换效率极低,限制了其应用.因此,基于上述理论,提出采用光轴平行于界面法线方向的单轴薄层材料,来极大地增强这种自旋-轨道相互作用.     

Spin Hall effect of a light beam in anisotropic metamaterials

<正>We theoretically investigate a switchable spin Hall effect of light(SHEL) in reflection for three specific dispersion relations at an air-anisotropic metamaterial interface.The displacements of horizontal and vertical polarization components vary with the incident angle at different dispersion relations.The transverse displacements can be obtained with the relevant metamaterial whose refractive index can be arbitrarily tailed.The results of the SHEL in the metarnaterial provide a new way for manipulating the transverse displacements of a specific polarization component.