全维度光子自旋霍尔空间微分成像
专家视点光子自旋霍尔效应源于自旋与轨道角动量的相互作用，在振幅和相位空间微分成像领域得到广泛研究。然而，传统基于光子自旋霍尔效应的光学微分成像方法对输入光场的偏振态具有严苛要求，极大限制了其在偏振不可控或输入场本就是偏振光场等场景中的应用。在此，江西师范大学贺炎亮等人提出了一种基于级联光子自旋霍尔效应的全维度（振幅、相位与偏振）光学空间微分器，通过在傅里叶变换光路中引入两块液晶偏振光栅，依次穿过半波片液晶偏振光栅和四分之一波片液晶偏振光栅，分别产生巨型和微型的光子自旋霍尔效应，实现了输入光场中左旋与右旋圆偏振基矢的独立微分运算。由于任意偏振场均可分解为携带共轭相位信息的两圆偏振基矢，偏振微分成像被有效转化为相位微分成像。实验表明，该微分器可实现振幅、相位及偏振场的空间微分成像。进一步地，通过纵向或横向调节偏振光栅的位置，实现了两圆偏振基矢微分图像对比度的主动精准调控。这一突破性技术有望为先进成像技术、材料表征及光学信息处理等应用开辟新的路径。该工作发表在ACS Photonics上。
Yanliang He, Feiguo Fang, Cuicui Li, Wen Yuan, Haimei Luo and Xianping Wang, Full-Dimensional Photonic Spin-Hall Spatial Differential Imaging. ACS Photonics 12(5): 2861-2867 (2025).
光子自旋霍尔效应源于自旋-轨道相互作用，是指光子携带不同自旋角动量（对应其圆偏振态）在通过光学界面或非均匀介质传播时发生的横向分离现象。由于其对材料特性与环境变化的灵敏响应特性，光子自旋霍尔效应在精密计量、光学传感及量子信息处理等领域被广泛研究。此外，通过利用不同自旋态光子的横向分离进行图像滤波，光子自旋霍尔效应可实现基于光学微分操作的边缘检测图像处理，为光学空间微分成像提供了新范式。传统空间微分图像处理主要依赖电子计算，难以满足大数据时代高速率、低损耗的需求。而基于光子计算的光学空间微分成像在速度与能效方面具有显著优势。迄今为止，多种振幅型与相位型自旋霍尔微分器已被成功验证并逐步实用化，在生物医学成像、精密元件检测等领域展现出广阔应用前景。众所周知，光场的基本空间物理维度包含振幅、相位与偏振。由于自旋霍尔空间微分成像方法对输入光场的偏振态有严格要求，实现全维度的光学空间微分成像仍是自旋霍尔空间微分器面临的挑战。
研究人员设计的全维度光子自旋霍尔空间微分器，如图1所示。该系统采用由两个同焦距透镜构建的4f光路实现空间滤波处理。位于空间频率面前的半波片液晶偏振光栅通过引入巨型光子自旋霍尔效应，实现了对输入光场两圆偏振基矢的完全分离。当光场通过共焦平面处的四分之一波片液晶偏振光栅并经偏振片滤波后，由微型光子自旋霍尔效应产生的微分图像最终在像平面生成。
图1 全维度光子自旋霍尔空间微分成像原理示意图。
为验证全维度光子自旋霍尔空间微分器的微分成像性能，研究人员制备了所需半波与四分之一波液晶偏振光栅。如图2(b)(c)所示，采用交叉线偏振成像技术测得两偏振光栅的光栅周期分别为25微米与5000微米。基于制备的偏振光栅搭建了全维度光子自旋霍尔空间微分成像系统（图2a）。实验采用632.8 nm氦氖激光器输出的线偏振基模高斯光束作为入射场，通过偏振片与四分之一波片组合调控光场的偏振态。将输入场照射于USAF 1951分辨率测试靶标（图2d）以生成振幅场，经全维度光子自旋霍尔空间微分器处理后，由CMOS相机在像平面记录处理图像。相位场与偏振场通过双折射q板产生，q板的双折射特性通过调控飞秒激光刻写在石英玻璃中的椭圆形纳米孔实现。由于纳米孔长径比恒大于1，其慢轴方向平行于纳米孔长轴方向。通过调控激光写入深度，可精确控制q板的相位延迟量。图2e展示了具有1 mm半径双折射图案的q板实物照片，其中石英玻璃经纳米孔修饰后表现出几何Pancharatnam-Berry相位调制特性。
图2 实验系统。(a) 全维度光子自旋霍尔空间微分成像系统示意图。(b)-(c) 半波液晶偏振光栅与四分之一波液晶偏振光栅的交叉线偏振显微成像结果。(d) USAF 1951分辨率测试靶标实物图。(e) 区域化设计的q板的实物图。(f)-(g) 相位场与偏振场的理论相位分布与偏振分布。
根据已有研究，q板的输出场特性取决于入射光偏振态：当采用圆偏振入射场并通过0°偏振片滤波时，q板可产生具有中心螺旋相位（图2f内环）与外围平面相位的均匀线偏振分布；若采用线偏振入射场，则生成中心区域呈径向柱矢量光束偏振（图2g内环）而外围保持均匀线偏振的复合偏振场。这种区域化设计的q板具有双重功能：其一，通过单一光学元件直接生成所需的相位与偏振测试场；其二，中心区域相位与偏振分布随方位角变化的特点，为定量分析全维度光子自旋霍尔空间微分器的相位/偏振微分成像性能提供了理想测试基准。
图3 全维度光子自旋霍尔空间微分器对振幅场、相位场与偏振场的微分成像结果。(a1)-(a3) 振幅场、相位场与偏振场的明场图像。(b1)-(b3) 子图(a1)-(a3)中黄色虚线处的强度分布曲线。(c1)-(c3) 振幅场、相位场与偏振场的微分图像。(d1)-(d3) 子图(c1)-(c3)中黄色虚线处的微分强度分布曲线。
为便于数据对比，在采集微分图像前，首先采集了振幅场、相位场与偏振场的明场成像结果（图3a1-a3）。图3a1展示了未经调制的标准4f系统对振幅物体的直接成像；图3a2采用扩束后的圆偏振光入射至q板生成混合相位场（螺旋中心区+平面外围区），并通过线偏振片统一偏振态的同时保留相位对比度进行明场成像；图3a3则直接以扩束线偏振光照射q板，形成中心柱矢量偏振与外围均匀线偏振的复合场，由4f系统直接记录。图3c1-c3展示了振幅场、相位场与偏振场经4f系统结合四分之一波片液晶偏振光栅、半波片液晶偏振光栅及线偏振片构成的微分装置处理后的成像结果。需要说明的是，为获得更清晰的图像以进行性能分析，仅采集了左旋圆偏振基矢的成像结果。振幅场源于USAF 1951靶标，其图案边缘具有显著对比度；而由q板生成的相位场与偏振场因图案区与背景区的透射率差异较小，其明场图像（图3(a2)(a3)）中图案边缘较为模糊（部分可见边缘源于元件加工缺陷），但这并不影响对全维度光子自旋霍尔空间微分器微分性能的验证。如图3(c1)-(c3)所示，振幅场、相位场与偏振场的微分图像均呈现显著的边缘增强效果。图3(b1)-(b3)与图3(d1)-(d3)分别给出了明场图像与微分图像中黄色虚线处的归一化强度曲线，微分图像中突出的强度峰值表明全维度光子自旋霍尔空间微分器对任意空间场均具有良好的边缘提取能力。由于采用一维梯度相位设计，所获微分结果亦为一维特性且微分方向与相位梯度变化方向一致。
图4 全维度光子自旋霍尔空间微分器偏振微分成像定量验证。(a1)-(a4) 不同旋转角度（-135°、-45°、45°、135°）下偏振场的理论偏振分布。(b1)-(b4) 实验获取的与(a1)-(a4)对应的偏振场明场图像。(c1)-(c4) 经偏振滤波后的对应强度分布（黄色双箭头标示偏振透射方向）。(d1)-(d4) 偏振场的微分成像结果。
为定量验证全维度光子自旋霍尔空间微分器的偏振微分能力，研究人员通过旋转区域化设计的q板展开实验。入射至q板的光场偏振态被调制为水平线偏振。由于实验中仅采集左旋圆偏振基矢，偏振对比度分析被转化为相位对比度分析：当q板中心区域特定方位角的相位与外围区域相位相等时，该位置处的相位对比度为零，对应边缘将不被增强。因此，只要相位对比度为零的位置不重合于0°与180°，边缘图像中即会出现额外缺口。
为更清晰阐释该现象，研究人员将q板起始轴分别旋至-135°、-45°、45°与135°，其理论偏振分布，如图4a所示（红色标记起始偏振方位）。图4b展示了不同旋转角度下的实验明场图像，但仅凭明场图像难以分辨旋转角度的变化。为验证偏振旋转，采用偏振片对偏振场进行滤波（图4c），发现-135°与45°、-45°与135°强度分布具有一致性。这主要源于q=0.5的q板生成一阶柱矢量偏振分布：对于一阶矢量偏振分布，互为反向的方位角处偏振方向相同。理论上，这些方位角处的偏振对比度应为零，导致边缘出现缺口。然而，如图4d所示，实验采集的左旋圆偏振分量微分图像仅呈现单个缺口。根据偏振-相位映射关系，将一阶矢量分解为一阶螺旋相位后，仅存在一个相位对比度为零的位置，对应图4d中的缺口。由于研究聚焦于边缘信息，缺口数量越少越有利于分析。此外，微分图像中缺口尺寸较小，表明在实际应用中，当偏振对比度非极低时，全维度光子自旋霍尔空间微分器仍能有效提取图像边缘信息。值得注意的是，对于高阶q板（q>0.5），其边缘成像机制仍成立。尽管相位跳变仍会引发边缘信号，但边缘图像中缺口数量将取决于q值大小。
图5 两圆偏振基矢边缘对比度的调控。(a1)(b1) 通过移动半波片液晶偏振光栅与四分之一波片调控s和d变量的示意图。(a2)-(a5) 两圆偏振基矢边缘对比度的同步调整（左旋圆偏振与右旋圆偏振基矢的对比度同步变化）。(b2)-(b5) 两圆偏振基矢边缘对比度的非同步调整（左旋圆偏振与右旋圆偏振基矢的对比度呈反向变化趋势）。
如图5(a1)(b1)所示，研究人员通过实验分别探究了变量s与d对微分结果的影响。图5a2-a5展示了通过纵向移动半波片液晶偏振光栅改变d值时的成像结果：当d=50 mm时，左旋圆偏振与右旋圆偏振基矢的成像均呈现边缘增强效果；随着d值增大，边缘对比度逐渐减弱直至图像完全转变为明场图像且两圆偏振基矢的成像结果始终保持一致。进一步通过横向移动四分之一波片液晶偏振光栅调控变量s（图5b2-b5），发现两圆偏振基矢的边缘对比度变化遵循相反规律。总体而言，通过独立调节s与d值，可实现两圆偏振基矢成像结果的灵活调控。
研究人员通过利用半波液晶偏振光栅分离输入场的两圆偏振基矢，并借助四分之一波液晶偏振光栅对其进行微分操作，成功开发了一种可同时对振幅场、相位场及偏振场进行微分成像的新技术。该技术利用两块几何相位偏振光栅来构建级联自旋霍尔效应，并通过理论推导与系统的实验验证证实其有效性。研究表明，该方案不仅突破了全维度空间微分成像的技术瓶颈，还可灵活调控微分图像中边缘对比度，展现出较强的工程应用潜力。当前研究采用一维梯度相位设计，最终微分结果为一维特性。然而，基于已有研究，可通过合成x与y方向的梯度结果或采用二维梯度相位实现二维微分拓展。此外，实验采用双透镜构建4f系统，未来可通过设计集成透镜相位与偏振光栅的超表面器件优化系统集成度，减少透镜使用数量；也可开发色散特性定制化元件，实现宽波段微分功能。
总之，研究人员提出并实验验证了一种基于级联光子自旋霍尔效应的全维度光子自旋霍尔空间微分器。通过USAF 1951分辨率测试靶标与区域化设计的q板生成的振幅场、相位场及偏振场，系统验证了全维度光子自旋霍尔空间微分器的微分能力。实验表明，所提出的全维度光子自旋霍尔空间微分器可有效支持对振幅场、相位场与偏振场的边缘检测。其中，区域化设计的q板生成的偏振场具有完美梯度偏振变化特性，为实现定量偏振微分分析提供了理想条件。研究表明，即使在低偏振对比度条件下，全维度光子自旋霍尔空间微分器仍能实现优异的边缘增强性能。进一步通过纵向或横向移动半波偏振光栅或四分之一波偏振光栅，成功实现了两圆偏振基矢边缘图像对比度的主动调控。这项研究不仅攻克了光学空间微分成像领域长期存在的技术难题，还为先进成像技术、材料特性表征及光学信息处理等领域的应用开辟了新的可能性。
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