摘要：近日，清华大学深圳国际研究生院（清华SIGS）宋清华副教授联合新加坡国立大学仇成伟教授、洛桑联邦理工大学Romain Fleury教授等研究团队，提出了一种实-动量拓扑光子晶体，通过实空间的无序性来编码有效波前调控信息，实现了保持动量空间拓扑特性的同时进行波前

导读

近日，清华大学深圳国际研究生院（清华SIGS）宋清华副教授联合新加坡国立大学仇成伟教授、洛桑联邦理工大学Romain Fleury教授等研究团队，提出了一种实-动量拓扑光子晶体，通过实空间的无序性来编码有效波前调控信息，实现了保持动量空间拓扑特性的同时进行波前调控应用。该成果以“Disorder-assisted real-momentum topological photonic crystal”为题发表于Nature，清华SIGS秦昊烨（现为洛桑联邦理工大学博士生）、清华SIGS博士生苏增平、洛桑联邦理工大学张哲为论文的共同第一作者。

研究背景

在光学中，连续域束缚态（BIC）是一种特殊的光学奇点，其能量被局域化，无法向外传播，而在动量空间中形成一个不辐射、Q值无穷大的偏振奇点，围绕该奇点的偏振分布具有非平庸的拓扑荷。因此，BIC在涡旋光产生、场增强和高Q值等光学应用中具有广阔的前景。传统利用超表面和光子晶体实现的BIC通常依赖于严格的周期性结构，结构的无序会破坏周期性，导致BIC退化成准BIC（即QBIC），其拓扑性质也随之消失。因此，过去关于BIC的研究通常会尽量减轻无序的影响。然而，从另一方面来看，无序性为结构控制提供了额外的自由度，这在波前调控应用中至关重要。因此，如何在BIC中引入有效的无序信息而不破坏BIC的拓扑特性，成为拓扑光学领域中的一个重要挑战。

无序性光子晶体设计

研究发现，光子晶体中存在一种特殊的BIC共振模式，该模式的场分布中也包含一个拓扑奇点，且围绕该奇点的相位具有非平庸的拓扑荷。这种拓扑共振模式对结构微扰具有免疫性，意味着当结构发生微小变化时，由于奇点的拓扑保护作用，该共振模式不会受到影响（图2），从而显著提升了BIC的稳定性。此外，该拓扑光子晶体的BIC动量空间拓扑奇点与实空间中的Pancharatnam-Berry (PB) 相位分布共存，后者可以用来引入无序状态，从而实现额外的波前调控信息编码。

实-动量信息编码

作为概念验证，研究团队通过在实空间中旋转光子晶体结构引入PB相位，利用两个空间中的双重拓扑荷，成功实现了具有嵌套图案和高维拓扑荷的实-动量双涡旋。图3左上角展示了在高斯光束照射下，动量空间涡旋的实验结果。图3右上角展示了在平面波入射条件下，蓝、绿、红三种波长处实空间涡旋的实验结果。图3下展示了实-动量空间双涡旋的实验结果，其特征是较小的涡旋嵌套在较大的涡旋之中。在绿光波长附近，拓扑荷为2的内部动量空间涡旋被很好地限制，中心处存在零强度奇点，而拓扑荷为6的实空间涡旋则呈现出更大的半径和扩散图案。横截线图进一步清晰地揭示了两个奇点和环形形状。与实空间涡旋不同，动量空间BIC涡旋不依赖于特定的空间中心，因此对光束位置在光子晶体上偏移具有较高的鲁棒性。这一点可以通过将光束从样品中心偏移一定距离来证明，位置偏移后实空间涡旋会发生显著变形，尤其是在涡旋光右侧。相比之下，内部动量空间涡旋保持不变。然而，动量空间BIC涡旋对色散更为敏感，当波长发生变化时，内部涡旋会转变为没有拓扑奇点的高斯光斑，而实空间涡旋依然存在。

此外，该研究进一步验证了实-动量光子晶体在高信息容量编码应用中的可行性。通过实空间PB相位，可以编码全息相位信息，以投影超构全息图并同时生成动量涡旋。通过Gerchberg-Saxton算法，可以将任意图像转换为目标相位分布，然后通过光子晶体结构单元的相应旋转来编码该相位分布。图4显示了将字母"A"的图像编码到光子晶体结构中，通过在蓝光、绿光和红光处的交叉偏振透射测量，可获得相应的全息图。与此同时，仅在绿光的共振波长处，观察到了拓扑荷为2的环形动量涡旋，这表明了该光子晶体在受扰动的情况下仍保持动量拓扑性质。

总结与展望

该研究提出了一种全新的拓扑光子晶体，通过设计结构微扰免疫的拓扑共振模式，成功实现了基于无序性的波前调控，并同时保持其动量空间BIC拓扑特性，为拓扑光学领域的应用提供了全新的思路。这一创新性研究有望推动光子芯片等微纳光学器件的发展，并应用于高稳定性高容量光通信、复杂结构光的生成、高维量子纠缠技术、生物粒子的精细光学操纵以及AR/VR显示等。预计该研究将对光学，电磁学，声学，拓扑学以及量子技术等领域产生重大影响。

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来源：凯视迈精密测量