光子自旋霍爾效應（PSHE）作為自旋軌道相互作用的典型光學現(xiàn)象，在光學微分成像領域展現(xiàn)出重要應用價值。然而，傳統(tǒng)基于PSHE的成像技術受限于輸入光場偏振態(tài)的嚴格約束，難以實現(xiàn)振幅、相位、偏振全維度光場信息的同步微分處理。江西師范大學賀炎亮團隊提出一種基于級聯(lián)光子自旋霍爾效應的全維度光學空間微分器設計方案，通過半波片液晶偏振光柵（HPG）與四分之一波片液晶偏振光柵（QPG）的級聯(lián)架構，實現(xiàn)了對左旋/右旋圓偏振基矢的獨立微分運算，并將偏振微分成像轉化為相位微分成像。實驗結果表明，該系統(tǒng)可有效實現(xiàn)全維度光場的邊緣檢測，且通過光柵位置調控可精準調節(jié)微分圖像對比度。本研究為光學成像、材料表征及光學信息處理等領域提供了全新技術路徑。

    1.技術瓶頸與創(chuàng)新思路
    光學微分成像作為邊緣檢測的核心技術，在生物醫(yī)學、精密制造等領域具有關鍵應用價值。傳統(tǒng)電子計算依賴的微分方法面臨高速率、低損耗處理瓶頸，而基于光子自旋霍爾效應的光學微分技術雖在速度與能效上具備顯著優(yōu)勢，但長期受制于輸入光場偏振態(tài)的嚴格限制?，F(xiàn)有PSHE器件僅能實現(xiàn)振幅或相位單一維度的微分處理，難以滿足光場全物理維度（振幅、相位、偏振）分析需求。
    針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊提出全維度光子自旋霍爾空間微分器（FDPSHSD），其核心創(chuàng)新在于通過級聯(lián)PSHE效應突破偏振限制：利用HPG引入“巨型PSHE”實現(xiàn)圓偏振基矢分離，再通過QPG的“微型PSHE”完成獨立微分運算。該設計將任意偏振場分解為攜帶共軛相位信息的圓偏振分量，通過相位微分間接實現(xiàn)偏振微分，從而構建全維度光場微分處理的統(tǒng)一框架。

    2.級聯(lián)PSHE的光學架構與作用機制
    FDPSHSD基于4f光學系統(tǒng)構建，核心元件為兩塊液晶偏振光柵：
    半波片液晶偏振光柵（HPG）：置于空間頻率面前，通過幾何相位調制產生顯著的橫向光分離（巨型PSHE），將輸入光場分解為左旋（L）與右旋（R）圓偏振基矢，實現(xiàn)偏振態(tài)的空間解耦。
    四分之一波片液晶偏振光柵（QPG）：位于共焦平面，通過引入微小橫向位移（微型PSHE）對分離后的圓偏振基矢進行微分運算。由于任意偏振態(tài)可表示為兩圓偏振基矢的線性組合，偏振微分成像被轉化為相位微分成像，從而規(guī)避了傳統(tǒng)技術對輸入偏振態(tài)的依賴。
    通過縱向調節(jié)HPG與QPG的間距（d）或橫向偏移QPG位置（s），可動態(tài)調控兩圓偏振基矢的微分圖像對比度：縱向調節(jié)實現(xiàn)同步增強/減弱，橫向調節(jié)則使兩者對比度呈反向變化，為成像參數優(yōu)化提供了靈活調控手段。

    3.實驗驗證與性能分析
    研究團隊通過USAF1951分辨率測試靶標及區(qū)域化設計的q板（雙折射光學元件）對系統(tǒng)性能進行驗證：
    振幅場微分：對靶標邊緣實現(xiàn)清晰提取，強度分布曲線顯示微分圖像邊緣對比度較明場圖像提升3倍以上，驗證了傳統(tǒng)PSHE的微分能力。
    相位場微分：利用q板生成螺旋相位與平面相位混合場，微分圖像成功捕捉相位梯度變化，邊緣位置與理論相位導數分布吻合，證明了對相位信息的高靈敏度。
    偏振場微分：通過q板產生中心柱矢量偏振外圍均勻線偏振復合場，即使在偏振對比度低于15%的條件下，微分圖像仍能有效突出偏振分布邊緣。旋轉q板實驗表明，微分圖像缺口位置與理論偏振相位映射關系一致，驗證了偏振微分成像的定量分析能力。
    此外，系統(tǒng)通過調節(jié)d與s參數，實現(xiàn)了兩圓偏振基矢對比度從同步衰減（d=80mm時對比度降至0）到反向調控（s=±1mm時對比度差異達65%）的連續(xù)可調，展現(xiàn)了強大的工程適配性。

    4.應用前景與技術拓展
    本技術在以下領域具有顯著應用潛力：
    生物醫(yī)學成像：同步獲取細胞結構（振幅）、折射率分布（相位）及生物分子取向（偏振）的多維信息，為活細胞動態(tài)分析提供全新工具。
    先進材料表征：對納米薄膜、光子晶體等偏振敏感材料的微納結構進行高分辨率分析，助力光電子器件與新型光學材料研發(fā)。
    光學信息處理：基于光子的并行微分運算可突破電子計算的帶寬限制，適用于遙感圖像實時處理、智能光學檢測等大數據場景。
    未來研究方向包括：通過二維相位梯度設計實現(xiàn)全方向微分拓展；基于超表面技術集成透鏡與偏振光柵，簡化系統(tǒng)架構；開發(fā)寬波段色散補償元件，提升多光譜適應性。

    全維度光子自旋霍爾空間微分器的成功研發(fā)，標志著光學微分成像技術從單一物理維度向全維度分析的重要跨越。其通過級聯(lián)PSHE效應突破偏振限制的創(chuàng)新設計，不僅解決了傳統(tǒng)技術的核心瓶頸，更通過動態(tài)對比度調控展現(xiàn)了顯著的實用靈活性。該研究為光學領域提供了兼具科學價值與工程潛力的全新工具，有望推動跨學科研究在高精度檢測、智能光學計算等方向的深度變革。