1 南开大学物理科学学院，泰达应用物理研究院，弱光非线性光子学教育部重点实验室，天津 300071
2 南开大学材料科学与工程学院，智能传感交叉科学中心，天津 300350
3 山西大学极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
空间光学模拟计算具有大规模并行计算、低功耗和超快响应速度的信息处理优势，在图像处理、边缘检测和机器学习方面显示出巨大的应用潜力。本文回顾了空间光学模拟计算的发展，着重阐述了空间光学模拟计算结合超表面在不同理论模型及体系中的研究进展与应用，通过引入人工微结构替代传统大尺寸光学元件，推动空间光学模拟计算器件向微型化、集成化发展；总结了基于自旋轨道耦合、拓扑等物理效应的新型空间光学模拟计算最新进展，为实现超带宽高速信息处理提供了新思路；对空间光学模拟计算现有挑战和研究前景进行了分析和讨论。
空间光学模拟计算 空间微分器 傅里叶光学 超表面 光学自旋霍尔效应 光学学报
2023, 43(16): 1623006
Author Affiliations
Abstract
1 College of Computer Science and Electronic Engineering, Key Laboratory for Micro-/Nano-Optoelectronic Devices of Ministry of Education, Hunan University, Changsha 410082, China
2 State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
An optical rotation bio-sensor based on the photonic spin Hall effect was established and applied to detecting the concentration varieties of chiral molecules. The optical rotation, introduced by sample solutions, was exploited to modulate the postselected polarization of a weak measurement system. Much work has been done in the case of glucose and fructose. However, little attention has been paid for biomolecules, such as proteins and amino acids. With this modulation, the optical rotation can be determined through the direction and spin accumulation of light spots, thus mirroring the concentration of solutions. A resolution of 2×10–4 degree was achieved.
Weak measurements the photonic spin Hall effect optical rotation bio-sensor Photonic Sensors
2022, 12(3): 220301
1 东莞理工学院电子工程与智能化学院, 广东 东莞523808
2 华南师范大学信息光电子科技学院, 广东 广州510006
3 华南师范大学广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室, 广东 广州510631
4 南京大学物理学院, 江苏 南京210093
5 合肥工业大学计算机与信息学院, 安徽 合肥230009
光束位移是指光束在反射或透射的过程中, 反射点或透射点会出现违反几何光学预言的小段偏移, 包括Goos-H nchen位移、Imbert-Fedorv位移、Goos-H nchen角位移和Imbert-Fedorv角位移。关于光束位移的研究随着科技的进步不断发展, 不仅丰富了人们对光的波动和量子本质的认识, 也进一步加深了对于新型材料的内在物理机制的了解, 从而促进人们向未知的物理世界展开探索。从光束位移的发现、理论解释等方面对其展开介绍并对其研究进展进行总结。
光束位移 Goos-H nchen位移 Imbert-Fedorv位移 Goos-H nchen角位移 Imbert-Fedorv角位移 光自旋霍尔效应 beam shift Goos-H nchen shifts Imbert-Fedorv shifts Goos-H nchen angular shifts Imbert-Fedorv angular shifts optical spin Hall effect
Author Affiliations
Abstract
Laboratory for Spin Photonics, School of Physics and Electronics, Hunan University, Changsha 410082, China
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The photonic spin Hall effect (SHE) refers to the transverse spin separation of photons with opposite spin angular momentum, after the beam passes through an optical interface or inhomogeneous medium, manifested as the spin-dependent splitting. It can be considered as an analogue of the SHE in electronic systems: the light’s right-circularly polarized and left-circularly polarized components play the role of the spin-up and spin-down electrons, and the refractive index gradient replaces the electronic potential gradient. Remarkably, the photonic SHE originates from the spin-orbit interaction of the photons and is mainly attributed to two different geometric phases, i.e., the spin-redirection Rytov-Vlasimirskii-Berry in momentum space and the Pancharatnam-Berry phase in Stokes parameter space. The unique properties of the photonic SHE and its powerful ability to manipulate the photon spin, gradually, make it a useful tool in precision metrology, analog optical computing and quantum imaging, etc. In this review, we provide a brief framework to describe the fundamentals and advances of photonic SHE, and give an overview on the emergent applications of this phenomenon in different scenes.
photonic spin Hall effect spin-orbit interaction of light geometric phase weak measurement analog optical computing Opto-Electronic Science
2022, 1(7): 220007
湖南大学物理与微电子科学学院自旋光子学实验室, 湖南 长沙 410082
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。
光电子学 自旋-轨道相互作用 几何相位 光子自旋霍尔效应 量子弱测量 光学微分运算 optoelectronics spin-orbit interaction geometric phase photonic spin Hall effect quantum weak measurement optical differential operation
1 湖北第二师范学院物理与机电工程学院，湖北 武汉 430205
2 湖北第二师范学院光电材料与元器件研究所，湖北 武汉 430205
应用传输矩阵法研究含缺陷层的函数型光子晶体表面的光自旋霍尔效应，数值计算和分析研究发现，通过调节入射线偏振光的偏振角、入射角、函数型光子晶体周期数、缺陷层光学厚度及入射光波圆频率等，可以实现反射光波和透射光波相对于入射点的横向位移控制。在数值计算中还发现通过调节相应参量可以实现百微米量级透射光波的横移，这些工作可为基于自旋的量子通信以及新型光电器件研究提供理论参考。
材料 函数型光子晶体 光自旋霍尔效应 横向位移 角动量守恒 激光与光电子学进展
2021, 58(23): 2316003
1 上海大学理学院物理系, 上海 200444
2 上海科技大学-上海光学精密机械研究所超强超快联合实验室, 上海 201210
3 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300110
回顾了近年来利用超快自旋动力学过程产生太赫兹(THz)辐射的研究进展。介绍了基于逆自旋霍尔效应和逆Rashba-Edelstein效应的瞬态自旋流-电荷流转换,指出铁磁/非磁性异质结构已被用于设计低成本、高效率的THz辐射源。通过优化膜厚、生长条件、衬底和结构,可进一步提高基于自旋电子学的THz发射器的效率和带宽。简述了THz发射光谱在研究超快自旋泽贝克效应形成动力学中的应用。
非线性光学 太赫兹辐射 超快光谱 自旋流 逆自旋霍尔效应 自旋泽贝克效应
湖南理工学院信息与通信工程学院， 湖南 岳阳 414006
从理论和实验角度，系统研究了基于动力学相位和几何相位来实现对光自旋霍尔效应中的自旋分裂的操控，利用推广的费马原理，理论上分析了这两类相位对光束传输行为的影响。结果表明，几何相位可以操控光束的自旋分裂，分裂的大小与超表面的空间旋转率有关，分裂的方向与几何相位的梯度方向一致。动力学相位能操控光束的整体平移，平移大小与动力学相位梯度相关，平移方向与动力学相位梯度的方向一致。基于空间光调制器和超表面搭建了一套实验系统，该系统证明了基于动力学相位和几何相位操控光自旋霍尔效应中自旋分裂方法的可行性。
物理光学 自旋霍尔效应 自旋相关分裂 动力学相位 几何相位
