拓撲超構光柵的非對稱輻射研究取得重要進展

近日，中山大學光電材料與技術國家重點實驗室、中山大學物理學院教授董建文團隊發現了雙層超構光柵具有贗偏振拓撲屬性，闡明了連續域束縛態和單向導模共振等拓撲光學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可調的相干完美吸收。相關成果發表于《物理評論快報》。

“對非對稱輻射行為的深入理解和靈活調控，將對非對稱光調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構中的遠場偏振渦旋受到了廣泛關注。基于偏振渦旋的圖像，研究者們揭示了連續域束縛態和單向導模共振兩類特殊非對稱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律和調控機制的探索。

董建文團隊在能谷波導、角態微腔等前期研究基礎上，將拓撲光學原理引入超構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。結合龐加萊球，團隊發現連續域束縛態和單向導模共振分別對應于球心和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。以雙層超構光柵為例，團隊進一步研究了合成參數空間kx -Δg中贗偏振渦旋的形成機制和演化規律。團隊發現連續域束縛態在參數空間中誘導了帶整數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光柵實現輻射單向度和相位差的獨立調控。進一步，團隊演示了相位差連續可調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控可以應用于定制化設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空間一對圓偏振點穩定存在，進而保證了相干完美吸收的入射光相位差在-π/2到π/2范圍內連續可調。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控，且峰值對應相位差可以在-π/2到π/2內定制化設計。

論文通訊作者董建文表示，該工作為理解微納亞波長結構中非對稱輻射光學行為的拓撲性質提供了新的視角，有望實現光控和非對稱動態調制的新型光子器件，在光電探測、熱輻射、micro-LED控光、量子發射等領域具有廣闊的應用前景。