Single-shot measurement of the spin Hall effect of light using metasurface-enabled full-Stokes polarimetry

Abstract

The spin Hall effect of light (SHEL) manifests as a transverse displacement of light into two circularly polarized components upon reflection or refraction at an interface. This shift provides information about the interface in a nondestructive way, but its direct observation remains challenging due to its subwavelength scale. Stokes polarimetry measurement, one experimental approach to quantify the shift by characterizing the polarization state of the spin Hall shifted light, offers distinct advantages, such as robustness against environmental fluctuations and applicability to arbitrary incident polarizations. However, it requires six separate intensity measurements using multiple optical components, leading to bulky setups and time-consuming procedures. Here, I propose a single-shot measurement of the SHEL using metasurface-enabled full-Stokes polarimetry, which spatially separates the spin Hall shifted beam into distinct focal spots corresponding to different polarization states. The metasurface provides complete information required for evaluating the spin Hall shift from a single intensity image, eliminating the need for repetitive measurements. I validate this approach by quantifying the spin Hall shift of reflected light at both lossless and lossy interfaces. This single-shot Stokes polarimetry measurement not only overcomes the limitations of the conventional Stokes polarimetry method but also extends SHEL metrology to arbitrary incident polarizations and complex media, paving the way for integrated photonic devices for sensing and polarization detection.|광스핀홀 효과란 빛이 매질의 경계면에서 반사되거나 굴절될 때, 서로 반대되는 두 개의 원편광 성분이 입사 평면에 수직한 방향으로 나뉘어 미세하게 이동하는 현상이다. 이러한 이동은 경계면의 정보를 비파괴적인 방식으로 제공하지만, 그 크기가 파장보다 매우 작기 때문에 직접 관측하기에는 어려움이 따른다. 기존에는 스토크스 편광 측정법(Stokes polarimetry measurement)이 이 이동량을 정량화하는 주요 실험 기법 중 하나로 사용되었다. 이 방법은 스핀 홀 효과가 발생한 빛의 편광 상태를 분석함으로써 이동량을 간접적으로 측정하며, 환경적 변화에 강하고 임의의 입사 편광에도 적용 가능하다는 장점이 있다. 하지만 이 방식은 다수의 광학 부품을 사용하여 총 6번의 개별적인 세기 측정을 수행해야 하므로, 실험의 부피가 커지고 오래 걸린다는 단점이 있다. 이에 본 연구에서는 스핀 홀 이동된 빛을 서로 다른 편광 상태에 해당하는 별개의 초점 위치로 분리해 주는 메타표면 기반 풀 스토크스 편광 측정법을 이용한 광스핀홀 효과의 단일 샷 측정법을 제안한다. 이 메타표면은 단 하나의 세기 이미지만으로도 스핀 홀 이동량을 평가하는 데 필요한 모든 정보를 제공하며, 따라서 반복 측정의 필요성을 없앤다. 논문은 무손실 계면과 손실이 있는 계면 모두에서 반사된 빛의 스핀 홀 이동량을 정량화함으로써 이 접근 방식을 검증하였다. 이 단일 샷 스토크스 편광 측정법은 기존 스토크스 편광 측정법의 한계를 극복할 뿐만 아니라, 광스핀홀 효과 계측을 임의의 입사 편광 및 복잡한 매질로 확장하여 센싱 및 편광 검출을 위한 집적 광학 소자의 개발 가능성을 열어줄 것으로 기대된다.