[发明专利]一种实现单向增强光子自旋霍尔效应位移的方法

说明书

本发明公开了一种实现单向增强光子自旋霍尔效应位移的方法，构建具有S₄对称性的超表面，包括介电常数为2.25外层玻璃与内嵌的介电常数符合Drude模型的两个银十字，前端银十字具有长、短两臂，后端银十字和前端银十字尺寸相同，是前端银十字进行C₄旋转后，由玻璃中心平面进行镜像对称获得，且两个银十字间形成法布里‑珀罗腔；基于S₄对称性，实现发生在超表面不同侧的p和s线偏振光的布儒斯特角现象，进而实现单向增强的SHE效应；分析计算SHE位移的公式，利用超表面进行菲涅尔反射系数的调控，消除菲涅尔系数高阶项，增大位移。本发明打破了增强SHE效应对偏振态的限制，实现了正反侧两个端口的单向增强的光子SHE效应；且增强了光子自旋霍尔效应的横向位移。

技术领域

本发明属于光学微结构领域，具体涉及一种实现单向增强光子自旋霍尔效应(spin Hall effect,SHE)位移的方法。

背景技术

作为光子场中电子自旋霍尔效应的类比，光子自旋霍尔效应归因于光的自旋轨道耦合，这导致了界面处的自旋相关位移。当线性偏振光束在平面界面处反射或折射时，由于自旋方向相反，它会被横向分为左旋圆偏振(left circular polarization,LCP)和右旋圆偏振(right circular polarization,RCP)。因此，光子SHE为控制光子的自旋状态开辟了一种新的可能，并且已经在各种领域中实现了潜在应用，例如基于自旋的分光器，光子传感器和精密测量。由于弱的光-介质相互作用，自旋相关的分裂很小，因此研究如何增强光的SHE对于构建并改善基于自旋原理的各种光子器件来说极为重要。

2011年起，研究者们已经证明，在空气-玻璃界面处，假设入射光束的入射角度接近布鲁斯特角，那么反射光的SHE可以得到增强，这是因为p偏振和s偏振的反射系数之间的比率较大。

2013年，研究者们证明了当入射角接近布鲁斯特角时，由于其中一种偏振光反射率趋于零，因此必须考虑菲涅耳系数的高阶项(HOT)。然而考虑到高阶项，初始的计算位移公式的分母上就必须增添偏导项以及正切项的平方，这两项的存在都会减少横向偏移。

尽管近些年研究人员已经提出了一些方法来进一步增强亚波长尺度的位移，例如石墨烯，双曲线超材料，表面等离子体激元共振，介电常数近零材料和时间反演对称超材料等等，但在这些理论或者实验结构中，研究者们往往过多关注于更改不同材料来达到更大的p偏振和s偏振的反射率比，这样一来，分母上的高阶项仍然存在，其负面影响也未曾克服，这限制了横向位移的增强效果(理论上可以达到入射光束束腰半径的一半ω₀/2)。同时，这些研究大多适用于单一的线偏振光束入射，因此，增强光子SHE并打破偏振条件限制仍然是一个亟待拓宽的课题。除此之外，还需要一种有效的方法来操纵光子SHE，例如定向自旋分裂，以实现并拓展光子SHE的多功能性。

近年来，超表面(即二维几何结构的平面亚原子)为操纵经典波，包括电磁波和声波提供了前所未有的机会。由于它们具有任意控制波的特性(例如，幅度，相位和偏振)的能力，可以通过设计适当的超表面单元，实现各种功能，这为增强SHE提供了有力的依据。基于Pancharatnam-Berry(PB)相位的概念，研究者们已经在基于PB相位的超表面中实现了增强的光子SHE。这种PB相位超表面上具有相位梯度分布，当线偏振光束入射至超表面时，会引起的异常反射或折射现象，由于相反的自旋分量，LCP和RCP从而分裂开来。除此之外，超表面可以用来操纵菲涅耳系数，这说明可以利用超表面从根本上消除上述文中所提到的HOT从而达到增强光子SHE的效果。

发明内容

发明目的：本发明提出一种实现单向增强光子自旋霍尔效应位移的方法，基于空气-玻璃界面在布儒斯特角附近能够增强光的自旋霍尔效应位移的理论前提，提出了消除菲涅尔反射系数的高阶项的方法，构建了具有非共振且近零的布儒斯特角的超表面，进一步增强了自旋霍尔效应的横向位移，并实现了单向增强的光子自旋霍尔效应。