基于自旋-轨道耦合结构光的超高精度双折射检测技术实现10-11级测量突破

研究团队通过构建光子"双能级系统"，利用亚波长尺度下传播不变的结构光产生双折射敏感型合成磁场，首次在经典体系中观测到自旋-轨道拉比振荡现象。该技术通过调控光束包络尺寸实现检测灵敏度可调，最终达到Δn~10-11的测量精度，较现有技术提升三个数量级，为光学时钟、量子信息等领域的材料表征提供了新范式。

　　

在光学材料表征领域，双折射现象犹如一把双刃剑——它既是揭示材料内部结构和分子取向的重要探针，又是高精度光学系统（如引力波干涉仪和光学原子钟）的性能限制因素。传统检测技术如法布里-珀罗腔干涉法（Δn~10^-6）和弱测量放大技术（Δn~10^-8）已接近灵敏度极限，主要受制于光子传播路径优化困难和材料厚度不均等系统性误差。如何突破10^-9量级的检测瓶颈，成为困扰学界十余年的技术难题。

中山大学的研究团队独辟蹊径，将量子体系中著名的拉比振荡现象引入经典光学系统。通过构建由正交偏振本征态（R=exp(+i?φ)(x?+iy?)/√2和L=exp(-i?φ)(x?-iy?)/√2）组成的光子"双能级系统"，利用亚波长尺度（r₀=130 nm）的贝塞尔-高斯光束产生强合成磁场（B=-γ??_xy²A?/(β?A?)），实现了双折射敏感的光子态拓扑相变。相关成果以封面文章形式发表于《Nature Communications》。

关键技术包括：1）采用q=0.5的液晶波片制备初始自旋-轨道态；2）60 nm超薄金属盘实现亚波长BG包络转换；3）电控铌酸锂晶体（LN）精确调控双折射（Δn=n_O³d₂₂E_⊥）；4）显微干涉系统（NA=0.9）观测拓扑波前演变；5）压电位移台（5 nm分辨率）实现传播轨迹追踪。

理论模型

通过建立等效泡利方程H=-σ·B，推导出自旋-轨道拉比频率Ω=[|γ??_xy²A?/(β?A?)|²+|k₀Δn|²]^1/2。计算表明当r₀=130 nm时，Δn=10^-11即可导致明显的相位偏移（Λ从60.00 μm变为58.43 μm），表现为偏振分布从空间变化线性（图2e）转为非均匀椭圆（图2f），相位波前从平庸态（图2i）转变为拓扑涡旋（?=1，图2j）。

实验验证

在U=7.0×10^-3 V（对应Δn=9.48×10^-11±7.23×10^-12）条件下，球面波干涉图样从同心圆环（图4b）转变为螺旋条纹（图4c），平面波干涉则出现分叉点（补充图5），证实了拓扑电荷?=1的产生。通过调节包络尺寸，发现检测灵敏度与r₀^-1呈线性关系（图6a），在亚波长区（I区）斜率达1.44×10^-11 nm^-1，而非亚波长区（II区）降至2.59×10^-12 nm^-1。

这项研究开创性地将量子光学概念引入经典测量体系，其重要意义体现在三个方面：首先，10^-11级精度为光学镀层应力分析（补充图7）和硅晶体双折射检测提供了新工具；其次，亚波长结构光调控策略可拓展至太赫兹频率测量（补充图8）；最后，建立的合成磁场模型为研究光子拓扑霍尔效应提供了新平台。该技术已成功应用于引力波探测器超镜评估，将干涉仪对比度提升了2个数量级。正如审稿人所言："这项工作重新定义了光学表征技术的灵敏度极限"。