全维度光子自旋霍尔空间微分成像技术的研究进展

    光子自旋霍尔效应（PSHE）作为自旋轨道相互作用的典型光学现象，在光学微分成像领域展现出重要应用价值。然而，传统基于PSHE的成像技术受限于输入光场偏振态的严格约束，难以实现振幅、相位、偏振全维度光场信息的同步微分处理。江西师范大学贺炎亮团队提出一种基于级联光子自旋霍尔效应的全维度光学空间微分器设计方案，通过半波片液晶偏振光栅（HPG）与四分之一波片液晶偏振光栅（QPG）的级联架构，实现了对左旋/右旋圆偏振基矢的独立微分运算，并将偏振微分成像转化为相位微分成像。实验结果表明，该系统可有效实现全维度光场的边缘检测，且通过光栅位置调控可精准调节微分图像对比度。本研究为光学成像、材料表征及光学信息处理等领域提供了全新技术路径。

    1.技术瓶颈与创新思路
    光学微分成像作为边缘检测的核心技术，在生物医学、精密制造等领域具有关键应用价值。传统电子计算依赖的微分方法面临高速率、低损耗处理瓶颈，而基于光子自旋霍尔效应的光学微分技术虽在速度与能效上具备显著优势，但长期受制于输入光场偏振态的严格限制。现有PSHE器件仅能实现振幅或相位单一维度的微分处理，难以满足光场全物理维度（振幅、相位、偏振）分析需求。
    针对上述挑战，研究团队提出全维度光子自旋霍尔空间微分器（FDPSHSD），其核心创新在于通过级联PSHE效应突破偏振限制：利用HPG引入“巨型PSHE”实现圆偏振基矢分离，再通过QPG的“微型PSHE”完成独立微分运算。该设计将任意偏振场分解为携带共轭相位信息的圆偏振分量，通过相位微分间接实现偏振微分，从而构建全维度光场微分处理的统一框架。

    2.级联PSHE的光学架构与作用机制
    FDPSHSD基于4f光学系统构建，核心元件为两块液晶偏振光栅：
    半波片液晶偏振光栅（HPG）：置于空间频率面前，通过几何相位调制产生显著的横向光分离（巨型PSHE），将输入光场分解为左旋（L）与右旋（R）圆偏振基矢，实现偏振态的空间解耦。
    四分之一波片液晶偏振光栅（QPG）：位于共焦平面，通过引入微小横向位移（微型PSHE）对分离后的圆偏振基矢进行微分运算。由于任意偏振态可表示为两圆偏振基矢的线性组合，偏振微分成像被转化为相位微分成像，从而规避了传统技术对输入偏振态的依赖。
    通过纵向调节HPG与QPG的间距（d）或横向偏移QPG位置（s），可动态调控两圆偏振基矢的微分图像对比度：纵向调节实现同步增强/减弱，横向调节则使两者对比度呈反向变化，为成像参数优化提供了灵活调控手段。

    3.实验验证与性能分析
    研究团队通过USAF1951分辨率测试靶标及区域化设计的q板（双折射光学元件）对系统性能进行验证：
    振幅场微分：对靶标边缘实现清晰提取，强度分布曲线显示微分图像边缘对比度较明场图像提升3倍以上，验证了传统PSHE的微分能力。
    相位场微分：利用q板生成螺旋相位与平面相位混合场，微分图像成功捕捉相位梯度变化，边缘位置与理论相位导数分布吻合，证明了对相位信息的高灵敏度。
    偏振场微分：通过q板产生中心柱矢量偏振外围均匀线偏振复合场，即使在偏振对比度低于15%的条件下，微分图像仍能有效突出偏振分布边缘。旋转q板实验表明，微分图像缺口位置与理论偏振相位映射关系一致，验证了偏振微分成像的定量分析能力。
    此外，系统通过调节d与s参数，实现了两圆偏振基矢对比度从同步衰减（d=80mm时对比度降至0）到反向调控（s=±1mm时对比度差异达65%）的连续可调，展现了强大的工程适配性。

    4.应用前景与技术拓展
    本技术在以下领域具有显著应用潜力：
    生物医学成像：同步获取细胞结构（振幅）、折射率分布（相位）及生物分子取向（偏振）的多维信息，为活细胞动态分析提供全新工具。
    先进材料表征：对纳米薄膜、光子晶体等偏振敏感材料的微纳结构进行高分辨率分析，助力光电子器件与新型光学材料研发。
    光学信息处理：基于光子的并行微分运算可突破电子计算的带宽限制，适用于遥感图像实时处理、智能光学检测等大数据场景。
    未来研究方向包括：通过二维相位梯度设计实现全方向微分拓展；基于超表面技术集成透镜与偏振光栅，简化系统架构；开发宽波段色散补偿元件，提升多光谱适应性。

    全维度光子自旋霍尔空间微分器的成功研发，标志着光学微分成像技术从单一物理维度向全维度分析的重要跨越。其通过级联PSHE效应突破偏振限制的创新设计，不仅解决了传统技术的核心瓶颈，更通过动态对比度调控展现了显著的实用灵活性。该研究为光学领域提供了兼具科学价值与工程潜力的全新工具，有望推动跨学科研究在高精度检测、智能光学计算等方向的深度变革。