一种实现单向增强光子自旋霍尔效应位移的方法

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 circularpolarization,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ω

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。

发明内容：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，具体包括以下步骤：

(1)构建具有S

(2)基于S

(3)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，减少分母，从而增大位移。

进一步地，步骤(1)所述超平面的外层玻璃的规格为420nm×420nm×480nm，在距玻璃中心对称面h

其中，ω为入射光的频率。

进一步地，所述步骤(2)实现过程如下：

前端银十字长臂沿x轴向，使得整个超表面在一端对于p波具有无反射性，其短轴沿y轴向，对s波有极大反射；由于后端银十字长短臂相对于前端轴向相反，其p、s波反射率也相反，即在另一端对于s波具有无反射性，p波有极大反射；即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；其中p波指的是电场方向沿x轴方向的偏振光，s波指的是磁场方向沿x轴方向的偏振光。

进一步地，所述步骤(3)包括以下步骤：

(31)SHE位移表达式为：

其中，

(32)调节银十字间法布里-珀罗腔的腔长h

(33)对银十字长、短臂的长度l

(34)考虑入射角度0°附近的小角度入射范围，且背景玻璃折射率与空气相近，银十字结构仅调节反射波相位，使反射谱比较平缓，即保证菲涅尔系数高阶

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：超表面结构单元纳米级别单元，体积小，所需材料简单且较为常见；位于可见光波段内，并且基于FP腔工作原理，可通过调节十字间距来调节工作频率；利用S

附图说明

图1为超表面及其表面发生的光的自旋霍尔效应位移概念图；

图2为本发明提出的超表面结构单元示意图；

图3为图2的正视图；

图4为沿+z方向正入射，p偏振与s偏振反射率与入射频率的关系图；

图5为沿-z方向正入射，p偏振与s偏振反射率与入射频率的关系图；

图6为475THz频率光沿+z方向入射时，p偏振与s偏振反射率与入射角度(-7°至+7°)关系图；

图7为475THz频率光沿-z方向入射时，p偏振与s偏振反射率与入射角度(-7°至+7°)的关系图；

图8为475THz频率光沿+z方向入射时，SHE横向位移与入射角度(-7°至+7°)的关系图；

图9为475THz频率光沿-z方向入射时，SHE的横向位移与入射角度(-7°至+7°)的关系图；

图10为475THz频率水平偏振光沿+z方向和沿-z方向入射时的横向位移比值；

图11为475THz频率水平偏振光沿-z方向和沿+z方向入射时的SHE横向位移比值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

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，基于法布里-珀罗腔实现光场局域特点实现非共振且近零的布儒斯特角，并通过改变腔长实现工作频率的可调性；通过分析计算SHE位移的公式，利用超表面进行菲涅尔反射系数的调控，消除高阶项，减少分母，从而增大位移；并基于S

步骤1：构建具有S

由于超表面具有S

其中，ω为入射光的频率。

银十字的长臂为330nm，短臂为210nm，两臂宽皆为77nm，十字厚度为20nm，前端的十字为长臂沿x轴，短臂沿y轴。将前端的十字进行C

步骤2：基于S

前端银十字长臂沿x轴向，使得整个超表面在一端对于p波具有无反射性，其短轴沿y轴向，对s波有极大反射；由于后端银十字长短臂相对于前端轴向相反，其p、s波反射率也相反，即在另一端对于s波具有无反射性，p波有极大反射；即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；其中p波指的是电场方向沿x轴方向的偏振光，s波指的是磁场方向沿x轴方向的偏振光。

步骤3：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，减少分母，从而增大位移。

水平偏振和垂直偏振高斯光入射空气-介质表面，其SHE位移表达式为SHE位移表达式为：

其中，

通过简单地分析计算横向位移的公式，可以发现，菲涅耳系数的高阶项(HOT)位于公式的分母上，且与p偏振波(s偏振波)的反射率变化幅度以及入射角度的正切值有关，那么可以通过实现非共振且近零的布鲁斯特角来消除它们。其中布儒斯特角的非共振特性实现了

通过调节银十字之间的间隔改变法布里-珀罗腔的腔长h

本发明采用线偏振高斯光入射，假定束腰半径为100μm，h

图4、图5中分别显示了入射光沿+z、-z方向正入射，p偏振与s偏振反射率与入射频率的关系图，可以看出在475THz工作频率时，从+z方向入射时，p偏振反射率约为0，而s偏振的反射率约为0.9；而从-z方向入射时，p偏振反射率约为0.9，而s偏振的反射率约为0。这验证了超表面不同侧的p和s线偏振光的布儒斯特角现象。从图6中所示的结果可以看出，在工作频率为475THz时，p偏振波在沿+z方向近零入射角入射时的反射率为0，即获得了一个近零的布儒斯特角，并且在入射角度-7°至+7°的范围内，p偏振波的反射率变化仅仅从0变到了0.1，因此得到了一个非共振的布儒斯特角。由于S

图8、图9中分别显示了带有高阶项和不带高阶项，沿+z和沿-z方向的SHE横向位移，从图中可以发现实线和方框的结果十分符合，这说明了依照此方法可以正确消除布儒斯特角处高阶项的影响，除此之外，图9中的结果与图8对比，也由此论证在超表面的两个端口分别实现了单向增强的SHE效应。

假定位移比值大于10的情况下，SHE的单向性较好，从图10中可以看出，阴影区域(即[-5.26°,-2.28°]与[2.28°，5.26°]范围内)满足了

本发明中提出并设计了一个具有S