基于光子自旋霍尔效应的甲烷检测理论研究

为了实现对甲烷体积分数的高精度检测,采用多层结构激发了具有高品质因素的光子自旋霍尔效应现象。利用非对称的排列方式,将甲烷敏感膜引入结构中,通过敏感膜的折射率变化,实现对甲烷体积分数的检测;研究了气体孔隙率、周期数、金属厚度和敏感膜厚度对光子自旋霍尔效应的影响,并采用传输矩阵法进行了数值分析。结果表明,该传感器可对体积分数为0~3%、折射率变化为1.4364~1.4478的甲烷气体进行检测,灵敏度为29.6°,最高质量因素和最低检测下限分别为395和0.00012。该传感器结构简单、检测能力强,为光学传感器的研究提供了新思路。

基于合金介电常数的可控特性增强光子自旋霍尔效应

基于平面角谱理论,系统研究了BK7玻璃-合金薄膜-空气结构中合金介电常数的变化对反射光自旋霍尔效应的调控规律.数值仿真结果表明,该结构发生表面等离激元共振的共振角主要受合金介电常数实部的影响,随介电常数实部的增加而增大,而虚部对共振角变化的影响相对较小.不同介电常数合金在其共振角处得到的较大光子自旋霍尔效应横移呈集中的带状分布,选取介电常数-2.8+1.6i的Ag-Ni合金时,光子自旋霍尔效应横移能达到1.2×10~5 nm.研究还发现将入射角固定为44.1°时,光子自旋霍尔效应横移随合金介电常数的变化呈轴对称分布,并以最大值为中心呈球面状辐射,离中心点越远光子自旋霍尔效应横移越小.选取介电常数-10.6+1.2i的Ag-Au合金时,光子自旋霍尔效应横移最大能达到8000 nm,相比于以往纯金属纳米结构BK7玻璃-金-空气中得到的最大光子自旋霍尔效应横移3000 nm有了较大的提高.该研究不仅能够有效增强光子自旋霍尔效应,还能为设计等离激元共振传感器等纳米光子器件提供理论依据.

基于非对称光子自旋—轨道相互作用的超构表面

光子自旋—轨道相互作用是经典光学所忽略的重要现象,近年来研究发现该现象可通过人工亚波长结构显著增强并进行按需调控。传统超构表面仅支持对称光子自旋—轨道相互作用,存在共轭对称性限制,难以将不同自旋态用于多功能集成、复杂光场调控、信息加密及存储等领域。非对称光子自旋—轨道相互作用能够使左右旋圆偏振光解耦,为突破上述理论和应用限制带来新契机。本文首先介绍了非对称光子自旋—轨道相互作用的原理及实现方法,其次介绍非对称光子自旋—轨道相互作用的代表性应用以及特点,最后对非对称光子自旋—轨道相互作用研究面临的挑战和未来的研究方向进行展望。

磁光克尔效应中的光子自旋分裂

光子自旋霍尔效应类似于电子系统中的电子自旋霍尔效应,是在折射率梯度和光子分别扮演的外场和自旋电子的角色下,由自旋一轨道相互作用而产生的光子自旋分裂现象.光子自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径,同时也提供了一种精确测量相关物理效应的方法.本文研究了磁光克尔效应中光子自旋分裂现象,建立了磁光克尔旋转与光子自旋霍尔效应之间的定量关系,并通过弱测量系统观测了磁场作用下铁膜表面的光子自旋分裂位移,得到相应的磁光旋转角,验证了我们所推导的理论预测.本文的研究成果为精确测量磁光克尔系数和磁光克尔旋转角提供了一种新方法.

超大折射率对光子自旋霍尔效应的影响

本文研究了具有超大折射率的各向异性介质表面所发生的光子自旋霍尔效应,从理论上模拟了光自旋霍尔效应所产生的横移.结果表明,通过改变介质的折射率,我们可以很好的对此横移进行调控,横移的调控范围很大.H偏振分量的重心横移在负数到正数范围内可连续变化,V偏振分量的重心横移在此范围内不能连续变化.同时,H偏振分量的重心横移的调控范围远大于V偏振分量的重心横移的调控范围.因此,利用各向异性超大折射率介质来调控光子自旋霍尔效应对于未来的新型光子器件的诞生可以奠定良好的基础.

基于Pancharatnam-Berry相位和动力学相位调控纵向光子自旋霍尔效应

提出了一种基于Pancharatnam-Berry相位和动力学相位操控纵向光子自旋霍尔效应的方法.理论分析表明:当光场通过一个由Pancharatnam-Berry相位透镜和动力学相位透镜构成的透镜组时,透镜组会存在两个自旋相关的焦点.首先,当左旋和右旋圆偏振光通过微结构相位延迟为π的Pancharatnam-Berry相位透镜时,由于Pancharatnam-Berry相位的自旋相关性,两个圆偏振分量会获得符号相反的Pancharatnam-Berry相位而导致其中一个被聚焦而另一个发散.然后,在Pancharatnam-Berry相位透镜后再插入普通透镜引入动力学相位调制,由于动力学相位是自旋无关,使得这一透镜组,可以在合适的条件下使不同自旋态的光子分别聚焦于纵向上不同焦点处.纵向自旋分裂由两透镜焦距及间距共同决定,因此可以通过改变两个透镜的焦距及其间距获得任意的纵向自旋分裂值.最后,搭建了一套实验装置,所得实验结果与理论结果一致.

光子自旋霍尔效应及其在物性参数测量中的应用

光子自旋霍尔效应是指光束在非均匀介质中传输时,自旋角动量相反的光子在垂直于入射面的方向发生的横向自旋相关分裂。光子自旋霍尔效应可以和电子自旋霍尔效应作类比:自旋光子扮演自旋电子的角色,折射率梯度扮演外场的角色。光子自旋霍尔效应源于光的自旋-轨道相互作用,和两类几何相位有关:一类是动量空间的自旋重定向Rytov-Vlasimirskii-Berry相位;另一类是斯托克斯参数空间的Pancharatnam-Berry相位。光子自旋霍尔效应对物性参数非常敏感,结合量子弱测量技术,在物性参数测量、光学传感等领域具有重要的应用前景。本文将简单分析光子自旋霍尔效应的物理根源,回顾近几年不同物理系统中光子自旋霍尔效应的研究进展,介绍光子自旋霍尔效应在物性参数测量中的应用。最后,展望其在光学模拟运算、显微成像、量子成像等领域的可能发展方向。

光子自旋解耦合的人工表面等离激元双功能波前调控

多功能超表面的研究和开发是光子学的研究热点,光子自旋解耦合的实现对多功能超表面的制备至关重要。利用光子自旋霍尔效应将不同手性的圆偏振光分离,已经取得显著的研究成果。然而,其分离后的圆偏振光的几何相位是互为共轭的,无法对两种圆偏振光的相位实现完全独立且自由的调控。本文通过几何相位和共振相位的联合使用,打破了几何相位之间的共轭关系,实现了不同手性圆偏振光的自旋解耦,从而设计出了一款基于人工等离子体极化激元的双功能波前自由调控耦合器。在75 GHz线偏振光源的激励下,耦合器的左右两侧模拟实现了效率分别为41%和37%的聚焦光束和贝塞尔光束。本文为多功能元器件的制备和光子集成的片上器件提供了新的设计方案和思路。

利用轨道角动量操控光子自旋霍尔效应中的非对称自旋分裂

基于平面波角谱理论研究了利用轨道角动量操控光子自旋霍尔效应中的非对称分裂。以光束在空气-玻璃界面反射为例,建立了描述涡旋光束的光子自旋霍尔效应的传输模型,发现左旋和右旋圆偏振分量的横向位移是关于入射面不对称的,其中两个自旋分量位移的大小和方向是由涡旋光束的拓扑荷数所决定。轨道角动量诱导的非对称分裂可以看成是两自旋分量相对于入射面的整体偏移,这个轨道偏移本质上可以看成是线偏振涡旋光束的伊姆伯特费多罗夫(Imbert-Fedorov)效应。这些现象的物理机制归结于界面处的自旋-轨道相互作用和轨道-轨道转换,且与高斯光束所对应的对称分裂略有不同。研究结果表明轨道角动量为操控光子自旋霍尔效应提供了一个可选择的自由度。

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。

基于自旋-光子相互作用实现量子纠错码（英文）

基于光子与量子点自旋的相互作用设计了一个实现三量子比特重复量子纠错码的方案。在该方案中,偏振光束分光器,光子探测器和微柱腔是必须的,且能实现单电子自旋的非破坏性测量,对量子信息处理具有重要意义。对实验方案的可行性讨论表明:该方案在当前实验技术范围内是切实可行的。

块状和超薄磁性材料中巨大且可调控的面内自旋角位移

磁光克尔效应是指处于磁场中的光束在磁体表面发生反射时,反射光的偏振面相对入射光发生旋转的物理现象,它反映了磁化强度对磁性材料光学性质的影响.磁性介质的磁光克尔效应则由含磁光常数的介电张量表征,因此对磁光常数进行精确测量具有重要的科学意义.光子自旋霍尔效应表现为光束在折射率不同的介质界面上传输时由于自旋-轨道相互作用而产生的光子自旋分裂现象.过去大多数研究利用光子自旋霍尔效应的横向空间位移来表征磁光常数.然而,现有工作只考虑了单个磁场方向的磁光克尔效应,并且由于微小的自旋空间位移而需要引入复杂的弱测量技术.本文从理论上全面探究了3种磁光克尔效应条件下的面内自旋角位移,发现通过改变磁场方向和磁性材料的厚度(考虑块状和超薄)可以实现对光子自旋霍尔效应的有效操纵.同时,该研究提出了一种直接测量磁光常数的新方法,即通过直接观测巨大的面内自旋角位移来表征磁光常数的振幅与相位.该方法不需要引入弱测量系统,不仅为磁光常数的测量提供了直接有效的探针,并且扩展了自旋光子学的相关研究.

隐失波横自旋的若干物理性质研究

该文对隐失波横自旋展开了一些新的研究,得到以下结果:1)获得横自旋的量子化形式;2)从统一的观点来看,横自旋归因于隐失波等效静止质量的存在;3)横自旋同样可以采用光子场的自旋矩阵来描述;4)对于真空中的自由光场而言,只有其传播方向上的自旋投影才是可观测量,而隐失场由于存在等效的静止质量,它在其他方向上的自旋投影也可以是可观测量,因此可以类比于自旋电子学,发展一门新的学科,即自旋光子学。

光的自旋-轨道相互作用

光的自旋-轨道相互作用是指光的自旋角动量和轨道角动量之间的相互作用,它存在于反射、折射、散射、衍射、聚焦等基本的光学过程中。在传统大尺度量级的经典光学中可以忽略自旋-轨道相互作用的影响,但在亚波长尺度下,自旋和轨道角动量之间会发生强耦合。对光的自旋-轨道相互作用的基本起源和重要应用进行了综述。首先,介绍了光的自旋-轨道相互作用的两个重要基本概念:光子角动量和几何相位理论。其次,分别介绍了自旋-内禀轨道角动量和自旋-外禀轨道角动量两种相互作用的基本原理。然后,重点介绍了光自旋-轨道相互作用的研究进展以及代表性应用。最后,对光自旋-轨道相互作用相关研究面临的挑战和未来的研究方向进行了展望。

对光子及其角动量概念的一些评注与探讨

本文的主要目的为探讨光子角动量,是否适合解释塞曼效应中π线的偏振状态。通过具体分析,我们认为光子角动量本质不能对塞曼效应中π线做出正确解释,进而我们认为光子角动量本质有不完善之处,不能随意使用角动量守恒解释物理现象。

电磁场角动量守恒及其应用

由带电体与电磁场相互作用时角动量守恒推导出电磁场角动量及角动量流的具体表达式,讨论了电磁角动量对于深入理解电磁场基本属性的作用以及它在微观物理学研究中的应用.

基于Pancharatnam-Berry相位超表面的二维光学边缘检测

提出并设计一种基于Pancharatnam-Berry(P-B)相位超表面的二维光学微分器,并实现对光学图像的二维光学边缘检测.在环形光栅相位的作用下,该P-B相位超表面可将光束的左右旋分量在径向进行分离,在滤除中间重叠部分的线偏振光后,保留下来的光学信息即为二维光学微分结果.同时,通过调节该二维光学微分器的光轴分布函数可对边缘信息分辨率进行灵活调控.研究结果表明,上述P-B相位超表面可用于光学图像的二维边缘信息提取,相比于一维光栅式超表面,该方法得到的边缘信息更加完整、清晰.可以预期,这种二维光学微分器在超快光学计算与光学图像处理等方面具有重要的潜在应用价值.

表面等离子体激元在圆筒形金属波导中的角动量特性

利用解析方法计算了金属圆筒系统中的光子自旋特性,研究结果显示:每个传输本征模都具有反常自旋特性,且自旋特性与本征模式的阶数有关;横向自旋方向与传输方向锁定,形成手性关系,横向自旋方向在圆筒内部遵循左手螺旋规则,在圆筒外部遵循右手螺旋规则.

光自旋霍尔效应及其研究进展

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,这种现象叫做光自旋霍尔效应.它类似于电子系统中的自旋霍尔效应:自旋光子扮演自旋电子的角色,而折射率梯度则起外场作用.光自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径,在纳米光学、量子信息和半导体物理方面具有重要的应用前景;同时由于它与凝聚态和高能物理中的带电粒子自旋霍尔效应有高度的相似性和共同的拓扑根源,所以又为测量自旋霍尔效应这类弱拓扑现象提供了独特而又方便的机会.文章简单介绍了光自旋霍尔效应,并总结了近几年国内外的研究进展.