對于渦旋光束的產(chǎn)生，常規(guī)方法包括基于厚度或折射率螺旋分布的螺旋相位板法和基于雙折射晶體快慢軸空間旋轉(zhuǎn)分布的Q板法。 這些傳統(tǒng)方法需要一定的器件厚度才能實現(xiàn)光場與介質(zhì)的有效相互作用，因此一般都比較厚，難以實現(xiàn)小型化和輕量化。 針對上述問題，近10年來，研究人員開發(fā)了超表面光學(xué)器件，利用人工單元構(gòu)建微米級、納米級螺旋相位板和Q波片。
在超表面上實現(xiàn)渦旋光束的設(shè)計方案具有控制自由度大、厚度超薄的優(yōu)點。 一旦實現(xiàn)，已成為超表面的一個重要應(yīng)用方向。 其設(shè)計思想可以概括為：利用超表面中人工微納光子結(jié)構(gòu)超強的光與物質(zhì)相互作用能力，在真實空間平面上構(gòu)建渦旋狀分布的人工微納結(jié)構(gòu)。 借助結(jié)構(gòu)單元，局部共振或幾何配置對相位進行調(diào)制，以實現(xiàn)波前不同位置的相位控制，并引入類渦旋相位。 其中，幾何構(gòu)造的超表面可以看作是人工構(gòu)造的各向異性非均勻材料。 在這種材料特性的影響下，入射光的自旋角動量將與軌道角動量相互作用。 通過結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成軌道角動量。 限于篇幅，這里不再討論利用非厄米系統(tǒng)、拓撲系統(tǒng)等實現(xiàn)軌道角動量激光器的最新研究進展。
從上述超表面的工作原理可以發(fā)現(xiàn)： 1、如果對近紅外光甚至通信頻段的可見光進行操控，其控制效果將很大程度上依賴于納米尺度的結(jié)構(gòu)設(shè)計，而為了產(chǎn)生渦旋光束，超表面必須具有納米級的結(jié)構(gòu)和位置的精確變化，需要精密的加工方法； 2、超表面的微納結(jié)構(gòu)單元一般需要金屬或高折射率介電材料，這對可選的加工材料提出了很大的挑戰(zhàn)。 限制； 3.由于結(jié)構(gòu)的真實空間存在明顯的幾何中心，需要將待調(diào)相的光束與結(jié)構(gòu)的幾何中心對準，這也給超表面渦旋的實際微納集成帶來了挑戰(zhàn)光束裝置。 。 因此，如何利用更簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)復(fù)雜的相位控制仍然是當(dāng)前微納光子學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。
復(fù)旦大學(xué)光子晶體研究組長期在光子晶體（實空間中具有周期結(jié)構(gòu)、動量空間中具有光子能帶結(jié)構(gòu)的光子人工帶隙材料）領(lǐng)域進行深入研究。 近兩年來，課題組重點研究了周期結(jié)構(gòu)中連續(xù)譜中的束縛態(tài)（BIC）以及伴隨的遠場輻射偏振場拓撲和動量空間中的光學(xué)奇點等問題。 實驗先后分析發(fā)現(xiàn)了BIC與動量空間偏振場渦旋的聯(lián)系[1]、動量空間偏振拓撲與Berry相的聯(lián)系[2]、動量空間偏振場中的光學(xué)奇點以及在極化場中使用動量空間。 偏振場實現(xiàn)全偏振控制的應(yīng)用[3]等（相關(guān)工作在2018年5月9日、2019年9月6日《兩江科技評論》也有報道）。 在上述研究的基礎(chǔ)上，研究團隊繼續(xù)深入探索光子晶體動量空間中隱藏的偏振拓撲及其對遠場光的調(diào)控，提出了解決產(chǎn)生問題的新方法和渦旋光束的相位控制。 想法。
原理與圖像
如前所述，超表面專注于調(diào)制真實空間中的光。 從真實空間的設(shè)計思想出發(fā)，為了實現(xiàn)渦旋梁，結(jié)構(gòu)不可避免地具有幾何中心和類似渦旋的排列構(gòu)型。 作為現(xiàn)實空間中的周期性結(jié)構(gòu)，光子晶體不表現(xiàn)出類似渦旋的結(jié)構(gòu)，并且不能直觀地產(chǎn)生渦旋光束。 然而，如前所述，動量空間中BIC附近的光子晶體的遠場輻射具有由一系列布洛赫共振態(tài)形成的渦旋構(gòu)型。 由于實空間和動量空間存在共軛關(guān)系，因此在動量空間中使用這種渦旋結(jié)構(gòu)也可以實現(xiàn)相當(dāng)于超表面的渦旋相位調(diào)制，如圖1所示。
圖2 光子晶體薄膜中BIC周圍動量空間偏振場產(chǎn)生渦旋光的原理。 (a) 光子晶體薄膜中某一能帶面的投影及其偏振在動量空間等頻線上的投影。 (b)動量空間偏振產(chǎn)生渦旋光的原理。 (c) 理論計算的設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)的能帶表面。 圖示為光子晶體薄膜的示意圖。 (d) 圖(c)中最低能帶表面的投影以及相應(yīng)的極化在等頻線上。
圖2(a)顯示了光子晶體薄膜結(jié)構(gòu)的能帶。能帶的中心對應(yīng)于動量空間
觀點（
）的 BIC。 對于其鄰域頻率，等頻圖都接近圓形，如圖中的黑線所示。 由于BIC對應(yīng)于動量空間中極化場的渦旋奇點，因此相鄰頻率能帶中布洛赫模式的極化分布在動量空間中具有渦旋構(gòu)型，如圖(a)中的投影所示。 考慮到 BIC 態(tài)附近布洛赫模式的輻射速率較慢，這些模式的偏振態(tài)近似于線性偏振。BIC 周圍的這種近線性偏振渦旋結(jié)構(gòu)類似于動量空間中存在的 Q 波片。
對于光子晶體BIC附近動量空間中某一頻率的共振態(tài)，當(dāng)一定旋光度的圓偏振光入射時，圓偏振光與布洛赫態(tài)共振，產(chǎn)生交叉偏振，而相反的圓偏振光則發(fā)生共振。就會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。 偏振光。 從龐加萊球的圖像上理解，共振圓偏振交叉偏振過程對應(yīng)于從龐加萊球的一個極點（入射光的圓偏振態(tài)）經(jīng)過赤道上的某一點（某一線偏振態(tài)） ）到另一個極點（與入射光正交的圓偏振態(tài)）的半圓弧軌跡，如圖2（b）所示。 如果它們經(jīng)過赤道上的不同點并形成不同的軌跡，則兩條軌跡之間形成的立體角將引入幾何相位。 對于某個能帶中心的BIC附近的某個頻率，等頻圖的形狀接近于圓形。如果圍繞等頻圖轉(zhuǎn)一圈，偏振態(tài)的方向角就會發(fā)生變化。
，它將穿過龐加萊球上的赤道
圓時，共振形成的交叉偏振光會累積
當(dāng)具有一定角度（動量平行于樣品平面）范圍的該頻率的圓偏振高斯光束垂直入射到光子晶體薄膜上時，與該頻率的模相互作用產(chǎn)生交叉偏振，并且出射光束將產(chǎn)生渦流。 螺旋相位分布也形成軌道角動量
渦旋光束。 更重要的是，在某一頻率入射的圓偏振高斯光束中，只有與該頻率下光子晶體薄膜所支持的模式動量相匹配的動量分量才能與該模式諧振耦合，產(chǎn)生交叉偏振，獲得渦流。 階段。 這使得正交圓偏振出射光在動量空間中的分布與等頻圖相同，是一個近似圓形。 近圓形的動量分布與相位渦旋疊加，將形成具有軌道角動量的高階準貝塞爾光束，具有良好的抗衍射特性（圖4（b））。
實驗研究
為了實現(xiàn)上述渦旋光束產(chǎn)生方案，研究團隊設(shè)計了一系列工作在可見光和近紅外范圍的懸浮（游離）氮化硅光子晶體薄膜樣品。其中，四方公司
晶格結(jié)構(gòu)及其理論能帶如圖2(c)所示。 感興趣的能帶（亮藍色）的中心是一個BIC。在BIC周圍什么是軌道角動量，等頻圖呈現(xiàn)出近似同心圓的形狀，其上布洛赫態(tài)的極化場構(gòu)成了繞數(shù)。
偏振渦旋為1，如圖2(d)所示。
研究團隊根據(jù)設(shè)計參數(shù)制備了相應(yīng)的樣品，并繼續(xù)研發(fā)動量空間成像光譜技術(shù)，利用兩臂大角度差的動量空間干涉成像方案實現(xiàn)相位分布的測量。 實驗光路如圖3(a)所示。圖3(b)為制備的光路圖。
對稱游離氮化硅光子晶體薄膜的 SEM 圖像和測量的角度分辨透射光譜。存在
此時，傳輸頻譜中相應(yīng)能帶的傳輸最小信號消失，對應(yīng)品質(zhì)因數(shù)無窮大的狀態(tài)，即BIC。 在532 nm的右旋圓偏振高斯光束法向入射下，透射的左旋圓偏振出射光束在遠場的強度分布為圓環(huán)，如圖第一行第一列所示3(c)。 這證明只有與532 nm處的近圓形等頻圖案共振的動量分量是交叉偏振的，因此出射光束是準貝塞爾光束。 同時，通過對高斯參考光束進行干涉，得到圖3(c)第二列的干涉圖樣。干涉圖樣中的兩個旋臂表明發(fā)射的交叉偏振圓偏振光具有
相渦流。 利用臂間角度差較大的動量空間干涉成像方案，研究團隊還定量獲得了光束的遠場相位分布，如圖3(c)第三列所示。可以看出，與上述原理的預(yù)測一致，當(dāng)極化渦旋纏繞數(shù)
高斯光束與動量空間偏振場為1相互作用后，將轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂邢辔粶u旋的高階準貝塞爾光束，其拓撲數(shù)
是 2。
圖 3. 實驗光路和結(jié)果。 (a) 動量空間干涉光路。 (b) 實驗測量的光子晶體薄膜的能帶。 插圖是樣品的 SEM 照片。 (c) 渦旋光產(chǎn)生的實驗測量。 第一行是右手事件，第二行是左手事件。 第一列是產(chǎn)生的渦旋光的剖面圖，第二列是干涉圖樣，第三列是相應(yīng)的相位分布。
此外，當(dāng)實驗中入射圓偏振光的旋向發(fā)生變化時，如圖3(c)第二行所示，從右旋變?yōu)樽笮徊嫫褫敵鲎笮龍A偏振高-階準貝塞爾光束干涉旋臂將反轉(zhuǎn)，相應(yīng)的相位渦旋符號將從2變?yōu)?2。 這反映了源自交叉極化幾何相位的相位渦旋的性質(zhì)。
另一方面，為了證明該方案的普適性，還提出了基于不同對稱性的其他結(jié)構(gòu)
對于具有點BIC的光子晶體薄膜，繞數(shù)q會發(fā)生變化。 研究小組觀察到，隨著q的變化，相位渦也會發(fā)生變化。 基于這一事實，研究團隊實現(xiàn)了工作在不同頻段、具有不同相位的渦流。此外，作為比較，團隊還準備了沒有
帶點BIC的光子晶體薄膜樣品證實，不帶BIC的樣品不能產(chǎn)生高階準貝塞爾光束。 這證明了BIC和動量空間鄰域內(nèi)的極化場渦旋是上述相位渦旋產(chǎn)生機制的關(guān)鍵。
分析討論
復(fù)旦大學(xué)光子晶體研究組提出的新型相位渦旋和渦旋光束產(chǎn)生機制及方案不同于原有基于實空間的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，具有以下優(yōu)點：
其原理是基于動量空間的控制和設(shè)計，只依賴于真實空間的對稱性和周期性，不依賴于真實空間的結(jié)構(gòu)細節(jié)，更不依賴于結(jié)構(gòu)的幾何中心（因為它是一個周期結(jié)構(gòu)，實際上并不存在幾何中心）。 因此什么是軌道角動量，所開發(fā)的基于光子晶體薄膜的用于產(chǎn)生相位渦旋光束的光學(xué)元件不需要將入射光對準到元件的幾何中心。 無論入射光束撞擊樣品的何處，都可以獲得一致相位的渦旋光束，如圖4(a)所示。
出射光束為具有抗衍射效應(yīng)的高階準貝塞爾光束，如圖4(b)所示。 實驗上，研究團隊還測量了出射光束在真實空間和動量空間平面（無窮大場）中的光束輪廓，這也支持了理論上的抗衍射效應(yīng)。
圖 4. 生成的渦旋光的設(shè)計優(yōu)點和特性。 (a) 真實空間中不存在物理中心。 左圖為樣品的能帶圖。 中圖綠色區(qū)域為樣本。 紅點是入射光照亮的三個位置。 右圖是三個位置對應(yīng)的渦旋光輪廓和干涉。 圖片。 (b) 抗衍射效應(yīng)。 上圖為高斯光束，下圖為生成的高階準貝塞爾光束。
光子晶體薄膜的結(jié)構(gòu)僅由周期性重復(fù)單元組成。 與空間變化超表面的設(shè)計相比，其設(shè)計和制備難度較小。 同時，光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)以及BIC和動量空間中偏振渦旋的存在不依賴于光子晶體材料的特定折射率和其他性質(zhì)。 原則上，基于光子晶體薄膜動量空間偏振場的相位控制方案適用于任何波長和任何材料，具有很大的自由度。
總結(jié)
復(fù)旦大學(xué)光子晶體研究組提出了新的思路，揭示了周期性光子晶體利用動量空間偏振渦旋的設(shè)計，仍然可以通過幾何相位控制波前的相位奇異性，而不會在真實空間結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)任何奇點。 點，從而獲得具有軌道角動量的光束。 新的想法和解決方案消除了設(shè)備光學(xué)對準的需要，大大簡化了設(shè)備實際使用中的障礙。 而且，該類型光束具有高階貝塞爾光束幾乎無衍射的特性。 更重要的是，通過這項工作，研究團隊揭示了隱藏在動量空間中的偏振和相位控制的自由度，也為基于光子晶體薄膜的渦旋激光器和BIC激光器的解釋和設(shè)計提供了思路[4]。 該作品于 2020 年 7 月發(fā)表，標題為“beams by -space in the”[5]。 該工作得到了國家自然科學(xué)基金重大科學(xué)儀器、面上項目、科技部重點研發(fā)項目、上海市科委杰出技術(shù)帶頭人基金的支持。 香港科技大學(xué)陳子廷教授為這項工作提供了很多幫助。 上海富翔光學(xué)有限公司尹海偉博士為動量空間成像光譜技術(shù)和相位測量技術(shù)提供了大力支持，聯(lián)合研發(fā)了可服務(wù)微納光子學(xué)及交叉學(xué)科整體發(fā)展的商品化設(shè)備。 該工作的通訊作者為復(fù)旦大學(xué)子健教授、石磊教授和劉文哲博士。 共同第一作者為研究生王波博士、劉文哲博士和趙茂雄博士。