清华大学在拓扑光学领域取得突破性进展

　　图1.实-动量空间拓扑光子晶体效果示意图

　　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，从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，对拓扑光学领域具有深远影响。

　　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，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。

　　为了解决这一问题，清华大学深圳国际研究生院副教授宋清华团队联合新加坡国立大学教授仇成伟、洛桑联邦理工大学教授罗曼·弗勒里(Romain Fleury)，首次提出了一种实动量拓扑光子晶体的概念(图1)。该研究提出了无序辅助的实动量拓扑光子晶体，为拓扑光学领域的应用开辟了新的方向，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，并可应用于高稳定性高容量的光通信技术、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控、AR/VR显示器件等领域。

　　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，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)，从而显著地提高了BIC的稳定性。该拓扑光子晶体的BIC动量空间拓扑奇点与实空间中的几何相位分布共存，后者可用来引入无序状态，从而编码额外的波前调控信息。

　　图2.具有对结构微扰免疫的拓扑共振模式。其电场分布在结构中心呈现一个奇点，相位分布具有非平庸拓扑荷，不受结构微扰的影响

　　作为概念验证，研究团队通过在实空间中旋转超表面结构引入几何相位，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。此外，该研究还将全息图像编码到几何相位中，并通过实验验证，成功恢复了高质量的超构全息图和动量涡旋光束(图3)。动量奇点的色散特性以及几何相位的宽带工作特性，使得两个空间能够实现波长控制的分离和重组，从而提供更高的可调性和信息容量。

　　图3.BIC处实现波前调控。通过几何相位编码形成的全息图具有宽带特性(上)，而由BIC拓扑产生的涡旋光具有窄带特性

　　2月26日，相关研究成果以“无序辅助的实动量拓扑光子晶体”(Disorder-assisted real-momentum topological photonic crystal)为题，在线发表于《自然》(Nature)。

　　宋清华、仇成伟、罗曼·弗勒里为论文通讯作者，清华大学深圳国际研究生院科研助理秦昊烨(现为洛桑联邦理工大学博士生)为论文第一作者，清华大学深圳国际研究生院2022级博士生苏增平和洛桑联邦理工大学博士后张哲为论文共同第一作者。其他作者还包括清华大学周济院士，清华大学深圳国际研究生院李勃研究员、2024级博士生吕文静、2022级博士生杨子矜、2022级硕士生高心越，新加坡国立大学陈伟锦博士后和卫珩博士，同济大学施宇智教授。研究得到国家自然科学基金委、深圳市科技创新委员会等的支持。