超表面技术让光自旋霍尔效应测量更精准

光自旋霍尔效应（SHEL）可使光经折射或反射时横向分裂为两个圆偏振分量，结合弱测量技术能高精度无损检测界面，但多步骤流程限制了动态应用。本文通过偏振分束超表面替换传统装置组件，将检测简化为单一步骤，实现免校准单次测量，可瞬时评估 SHEL 且不受光束位置波动影响。在静态和动态场景的概念验证实验中，单次拍摄图像的结果与理论吻合。这种实时观测技术凸显了 SHEL 在生物医学传感、化学分析等动态过程高精度监测中的潜力。该研究提出基于超表面的单步测量新方法，克服了传统 SHEL 检测流程复杂的缺陷。通过集成偏振分束功能的超表面器件，实现了 SHEL 免校准实时测量。实验表明，该方法在静态检测和动态追踪中均具准确性与鲁棒性，为高灵敏度实时检测技术提供了新路径，有望推动 SHEL 在快速生物分析、实时环境监测等领域的应用。

（a）光自旋霍尔效应（SHEL）的示意图

（b）传统弱测量装置示意图及

（c）其多步骤流程。图中：HWP 为半波片，LP 为线偏振片，L 为透镜

（d）使用偏振分束超表面替换原装置中的线偏振片 LP2。该超表面将入射光分解为两个正交线偏振分量\({{\bf{e}}}_{1}\)和\({{\bf{e}}}_{2}\)，并将它们偏转到不同方向

（e）采用超表面后的单次测量流程及预期成像结果

（a）利用超表面对自旋霍尔偏移光束进行偏振分束的示意图

（b）超表面单元结构示意图及

（c）所制备样品的扫描电子显微镜🔬图像

（d）超表面的两个相位图（ϕx 和 ϕy）

（e）x 偏振光通过超表面中心附近区域的透射率和相位分布。黑色：理想值，蓝色：超表面实测值。理想相位分布由单元周期离散化

（f）两束分束光的归一化强度及

（g）其强度比

（h）当入射偏振角为 38° 时的强度分布

（a）超表面实现弱测量装置的示意图

（b）在不同 α 角度下观测到的弱信号

（c-e）当 α=0.5° 时，（c）传统弱测量、（d）超表面弱测量的强度分布，以及（e）模拟结果。（d, e）中的黑色线条表示\(\tan(\pi/4-\alpha)\)的梯度，并与右侧的后选光束相交。

（f-h）当 α=2.5° 时，对应（c-e）的强度分布及模拟结果

（a）带薄膜偏振片旋转示意图的超表面弱测量装置

（b）薄膜偏振片旋转角度随时间的变化曲线

（c）实验测得的弱值（红色）与理论预测值（黑色实线和虚线）及模拟结果（蓝色和红色虚线）对比。红色阴影区域表示连续九次测量的标准偏差

本文通过将偏振分束超表面集成至弱测量装置，实现了光自旋霍尔效应（SHEL）的瞬时观测。该方法利用超表面的偏振选择性操控，将自旋霍尔偏移光束按正交偏振态分离，单次成像即可完成信号读取。实验在静态（空气 - 棱镜界面）与动态（偏振器倾斜角度实时变化）场景中验证了有效性。当前超表面存在消光比有限及光束畸变等局限，可通过提升加工精度、优化元原子设计改善。该技术兼容任意线偏振输入，通过旋转超表面可动态调控放大因子，未来可拓展至生物分子实时监测、化学反应追踪等领域，并探索超表面在角位移弱测量等其他光学量测中的应用潜力。

科学技术的发展离不开科研仪器的进步。凯视迈（KathMatic）自2014年创建以来，一直“致力于高精尖光学测量技术”，已成为集“研发、制造、销售”为一体的国产高端光学精密测量仪器新力量。推出了KC系列多功能精密测量显微镜🔬、KS系列超景深3D数码显微镜🔬以及KV系列激光多普勒测振系统，取得了良好的市场成绩。详情欢迎留言咨询!