Решилось, правда не совсем так как хотелось. Теперь вызов коллбека асинхронен, но мне нужно получить результат внутри «process», хотябы просто дождаться завершения «after».

uv_work_t *baton;

void work(uv_work_t* task) {}

void after(uv_work_t* task, int status) {
    HandleScope scope;

    int n = *((int*)(&task->data));
    const unsigned argc = 1;
    Local<Value> argv[argc] = { Local<Value>::New( Number::New(n) ) };
    processCallback->Call(Context::GetCurrent()->Global(), argc, argv);

    scope.Close(Undefined());
    delete task;
}

int process()
{
    baton = new uv_work_t();
    baton->data = (void*)123;
    uv_queue_work(uv_default_loop(), baton, work, after);
    return 0;
}

<a href="<?=$arr['big']?>">
  <img src="<?=$arr['mini']?>">
</a>

С помощью foreach вы проходитесь по этому ассоциативному массиву, где на каждой итерации $k — это ключ ('mini', 'big'), и $val значение по ключу ('thumbs/'.$photo, 'full/'.$photo).

То-есть foreach попросту не нужен.

UPD: но судя по первому куску кода (вкл. режим телепатии), вы похоже хотите наполнить массив $arr другими ассоциативными массивами, тогда:

<?
$arr = array();

foreach ($photo_arr as $photo) {
  $arr[] = array(
    'mini' => 'thumbs/'.$photo, // адрес к миниатюрке фото
    'big' => 'full/'.$photo //адрес к полноразмерному изображению
  );
}
?>

<? foreach ($arr as $item) { ?>
  <a href="<?=$item['big']?>">
    <img src="<?=$item['mini']?>">
  </a>
<? } ?>