科学家揭示双层超构光栅新特性，为光子器件提供理论基础，可用于光计算、量子发射和新型显示

“预计我们的成果能为全光相干调控的光控方式、非对称动态调制的光子器件提供理论基础，从而在微型发光二极管、光计算、相干量子调控、热辐射等领域发挥重要价值。”中山大学董建文教授表示。

近日，他和团队提出了非对称辐射的赝偏振图像。借此阐明：连续域束缚态和单向导模共振等拓扑光学模式，是两类特殊的赝偏振图像。

通过此，他们提出了辐射单向度和相位差的独立调控，并发现可应用于相位差连续可调的相干完美吸收。

该课题组所提出的赝偏振图像，为理解连续域束缚态提供了新视角，也为任意调控非对称辐射提供了指导，丰富了人们对于定制化设计相干完美吸收的认知。

图 | 董建文（来源：资料图）

“康庄大道”和“不确定小路”

据了解，控制光辐射的单向度和相位差，进而实现非对称辐射，是关于光操控的基本问题。

其中，实现较高的单向度——一直是高能效光子器件的关键，也是光学微腔、光学天线、光栅耦合器设计中的重要一环。

另一方面，相位差——则是全光相干调控的物理基础，也是构建全光调控逻辑器件的关键。举例来说，光控开关、相干完美吸收等，都离不开对于相位差的精确调控。

如果可以任意调控光辐射的单向度和相位差，将能极大丰富人们“随心所欲”操控光的能力。

近年来，拓扑光子学被引入微纳亚波长结构光传输的研究之中，为光子晶体、超构表面、超构光栅等微纳亚波长结构的设计，提供了更加简洁的物理图像和设计思想。

此前，针对连续域束缚态和单向导模共振态这两类特殊的非对称辐射，已有学者揭示了它们背后的拓扑属性。

前者表现为远场辐射会被完全抑制，后者表现为单向的远场辐射。

基于在能谷波导、角态微腔[1]等拓扑光学理论与应用上的研究，他们设想能否从拓扑光子学的角度，为任意调控光辐射的单向度和相位差，提供一个基于拓扑光学的设计方法？

董建文表示，动量空间偏振涡旋——是理解连续域束缚态和单向导模共振态拓扑性质的主要方法。但是，该方法并不能回答如何灵活调控非对称辐射的问题。

事实上，对于远场偏振和远场非对称辐射来说，它们是两种截然不同的光学属性。

课题组发现：使用偏振涡旋来间接理解连续域束缚态和单向导模共振态的非对称辐射行为，并不是一个非用不可的方法。

图 | 打破镜面对称性诱导非对称辐射。（a）镜面对称的结构支持对称或者反对称辐射。（b）打破镜面对称性的结构支持非对称辐射，可用赝偏振表示。（来源：Physical Review Letters）

真正的核心在于：要针对非对称辐射行为，构建对应的几何图像。

为此，他们引入了赝偏振的概念，将非对称辐射投影到对称辐射与反对称辐射这一对“正交基”上，建立了非对称辐射行为与赝偏振几何图像的映射关系。

结合庞加莱球这一物理方法，他们发现连续域束缚态和单向导模共振态，分别对应于球心和 S2 轴的极点。

而一般的非对称辐射光学行为，则可以由庞加莱球球面进行完整的描述。探明上述规律之后，也意味着打通了本次课题的第一道“关卡”。

下一步问题则是：如何覆盖整个庞加莱球球面？只有实现这一目标，才能实现辐射单向度和相位差的任意调控。

为了实现上述目标，该团队从相对简单的双层超构光栅入手。

其发现：当引入上下两层的偏移量时，结构的上下镜面对称性会被打破，进而产生不同的非对称辐射行为。

这让课题组意识到：偏移量——是设计非对称辐射的关键。因此，可以从横向动量与偏移量构成的合成参数空间开展进一步的研究。

他们发现：在合成参数空间之中，出现了由连续域束缚态诱导的赝偏振涡旋。

进一步，他们联想到：在前期研究之中，通过分裂动量空间的偏振涡旋，可以产生丰富的偏振态。那么，如果分裂赝偏振涡旋又会发生什么？

尝试之后，他们发现当分裂赝偏振涡旋的时候，同样会产生丰富的赝偏振态，庞加莱球球面也能被大范围地覆盖。

这时，从拓扑光子学的物理图像角度出发，只需要将原先整数拓扑荷的赝偏振涡旋，分裂为一对半整数的圆偏振点。

而上述过程可以通过“空间反演对称性的破缺”来完成。这样一来，辐射单向度和相位差就可以被独立调控，从而可以实现单向度恒定、相位差连续可调等光学行为。

图 | 辐射单向度和相位差的独立调控。（a）破坏空间反演对称性后赝偏振在庞加莱球的分布。（b）辐射单向度固定（η=0）情况下，辐射相位差从 δ 从 π/2 到 3π/2 变化。（c）辐射相位差固定（δ=2π/5）情况下，辐射单向度从 -0.9 到 0.9 变化。（来源：Physical Review Letters）

此外，他们还发现通过调控非对称辐射，可以实现相干完美吸收的定制化设计，并且相位差具备连续可调的特点。

据了解，相干完美吸收是激光的逆过程。对于外界入射的特定频率、以及特定波形的光，可以在这种激光逆过程之中实现完美吸收。

此前，人们普遍认为当进行相干完美吸收时，两束入射光的相位差是 0 或者 π。

之所以这样认为，是因为对于非对称辐射的相位差来说，一直缺少相应的设计机理。

而在本次研究之中，课题组发现根据拓扑荷守恒律，合成参数空间中的一对圆偏振点能够稳定存在。

通过此，可以保证相干完美吸收的入射光相位差，在 -π/2 到 π/2 范围之内实现连续可调。

事实上，当董建文和团队刚提出赝偏振的概念时，就连他的学生也充满了质疑和忐忑。

好比前人已经开辟了一条康庄大道，现在却要选择开垦一条充满不确定性的小路。

新概念的提出是否有必要？能否带来新理解和新现象？能否获得大家的认可？这些都是潜在存在的问题。

但是，董建文鼓励学生“大胆假设，小心求证”。经过繁琐的检验、反复的对比和持续的讨论，他们才敢肯定结果是正确的，从而为非对称辐射拓扑属性带来了新的认识。

审稿人评价称，此前领域内关于光子晶体平板的涡旋研究，通常是在动量空间之中讨论，而该团队本次提出的合成参数空间的赝偏振涡旋图像非常新奇。

日前，相关论文以《双层超构光栅辐射不对称的拓扑性质》（Topological Nature of Radiation Asymmetry in Bilayer Metagratings）为题发在 Physical Review Letters[2]。

中山大学博士生庄泽鹏是第一作者，董建文担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Physical Review Letters）

后续，该团队将继续围绕双层超构表面开展研究，希望能在相干光调控、可调谐超构表面、微腔与激子、新型显示等方面有所突破。

一方面，课题组将基于本次工作的理论基础，扩展工作波长和材料体系，让双层超构表面的应用场景变得更加丰富。

另一方面，课题组将发展更加成熟的双层超构表面微纳工艺。

“我们已经开展了长期攻关，发现并克服了诸多实验问题，相信可以在理论和实验上做出更多有趣的工作。”董建文表示。

发展大面积纳米压印技术，助力超构表面产业发展

另据悉，近年来超构表面在业界获得了广泛关注，如何实现大面积制备是其走向实际应用的关键问题之一。

更早之前，该团队成功发展了 1cm 大尺寸超构表面的电子束曝光光刻工艺[3]，但是依旧面临着加工周期长、难以大批量制备的问题。

针对上述问题，他们在近期发展了大面积的纳米压印技术，并结合超构表面阵列构建了近眼 3D 显示新型模组[4]。

此外，双层超构表面在提供丰富的耦合物理机理、设计自由度的同时，也带来了多参数优化的难题。

近年来，人工智能与超构表面的联系越来越紧密，逐渐成为高性能超构表面设计及应用的强大工具。

他们相信人工智能在双层超构表面研究中，同样将发挥不可替代的作用。

眼下，他们正在将人工智能用于超构光学。例如，其已将基于自注意力机制的 transformer 网络与广角超构透镜结合，构建了融合先验物理知识和数据驱动的计算成像模型。

凭借这项工作，他们克服了广角像差、色差、中心散斑等问题，相关论文已经在最新一期 Advanced Photonics 发表[5]。

如今，经过十几年的发展，超构表面正逐渐成为基础研究和产业应用交融的领域。

后续，课题组也将继续关注产业应用中的关键问题，并开展相应的科研攻关。

参考资料：

1.Nat. Mater. 16, 298 (2017), Nat. Commun. 10, 872 (2019)，Physical Review Letters 122, 233902 (2019)，Natl. Sci. Rev. 10, nwac289 (2023).

2.Zhuang, Z. P., Zeng, H. L., Chen, X. D., He, X. T., & Dong, J. W. (2024). Topological Nature of Radiation Asymmetry in Bilayer Metagratings.Physical Review Letters, 132(11), 113801 (2024).

3.Phys. Rev. Applied 10, 014005 (2018).

4.eLight 4, 3(2024).

5.Advanced Photonics, 6, 56001 (2024).

运营/排版：何晨龙

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