近日，中山大學光電材料與技術(shù)國家重點實驗室、中山大學物理學院教授董建文團隊發(fā)現(xiàn)了雙層超構(gòu)光柵具有贗偏振拓撲屬性，闡明了連續(xù)域束縛態(tài)和單向?qū)９舱竦韧負涔鈱W模式是兩類特殊的贗偏振圖像。同時，拓撲保護下的非對稱輻射可以被用于相位差連續(xù)可調(diào)的相干完美吸收。相關(guān)成果發(fā)表于《物理評論快報》。
“對非對稱輻射行為的深入理解和靈活調(diào)控，將對非對稱光調(diào)控應用具有十分重要的意義。”論文第一作者、中山大學物理學院博士生莊澤鵬表示，近年來，以光子晶體平板為代表的周期性微納亞波長結(jié)構(gòu)中的遠場偏振渦旋受到了廣泛關(guān)注。基于偏振渦旋的圖像，研究者們揭示了連續(xù)域束縛態(tài)和單向?qū)９舱駜深愄厥夥菍ΨQ輻射背后的拓撲屬性。然而，對于一般的非對稱輻射，即任意的單向度和相位差，動量空間偏振渦旋的圖像難以完整描述，極大限制了對非對稱輻射演化規(guī)律和調(diào)控機制的探索。
董建文團隊在能谷波導、角態(tài)微腔等前期研究基礎(chǔ)上，將拓撲光學原理引入超構(gòu)光柵的非對稱輻射研究。團隊提出了一般非對稱輻射的贗偏振物理圖像，將任意非對稱輻射一一映射到贗偏振的幾何參量。結(jié)合龐加萊球，團隊發(fā)現(xiàn)連續(xù)域束縛態(tài)和單向?qū)９舱穹謩e對應于球心和S2軸的極點，而一般非對稱輻射行為則可以由龐加萊球球面完整描述。以雙層超構(gòu)光柵為例，團隊進一步研究了合成參數(shù)空間kx -Δg中贗偏振渦旋的形成機制和演化規(guī)律。團隊發(fā)現(xiàn)連續(xù)域束縛態(tài)在參數(shù)空間中誘導了帶整數(shù)拓撲荷的贗偏振渦旋。
當打破空間反演對稱性時，贗偏振渦旋將分裂為一對半整數(shù)的圓偏振點，這使得龐加萊球球面可以被大范圍覆蓋，由此可基于雙層超構(gòu)光柵實現(xiàn)輻射單向度和相位差的獨立調(diào)控。進一步，團隊演示了相位差連續(xù)可調(diào)的相干完美吸收新應用。相干完美吸收機制能極大增強弱吸收材料的光吸收能力，也被稱為反激光。團隊通過理論分析指出非對稱輻射調(diào)控可以應用于定制化設(shè)計相干完美吸收條件。
前文的研究中，拓撲荷守恒律保證了參數(shù)空間一對圓偏振點穩(wěn)定存在，進而保證了相干完美吸收的入射光相位差在-π/2到π/2范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。董建文團隊通過理論計算和全波模擬表明，相干吸收大小可以通過入射光相位差靈活調(diào)控，且峰值對應相位差可以在-π/2到π/2內(nèi)定制化設(shè)計。
論文通訊作者董建文表示，該工作為理解微納亞波長結(jié)構(gòu)中非對稱輻射光學行為的拓撲性質(zhì)提供了新的視角，有望實現(xiàn)光控和非對稱動態(tài)調(diào)制的新型光子器件，在光電探測、熱輻射、micro-LED控光、量子發(fā)射等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。
