中山大学在拓扑超构光栅中的非对称辐射研究上取得重要进展

近日，中山大学光电材料与技术国家重点实验室、物理学院董建文教授团队发现了双层超构光栅具有赝偏振拓扑属性，阐明了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。同时，拓扑保护下的非对称辐射可以被用于相位差连续可调的相干完美吸收。该工作为理解微纳亚波长结构中非对称辐射光学行为的拓扑性质提供了新的视角，有望实现光控和非对称动态调制的新型光子器件，在光电探测、热辐射、micro-LED控光、量子发射等领域具有广阔的应用前景。

非对称辐射是微纳亚波长结构（如超构光栅、光子晶体）常见的光学特性，它表现为向上/下辐射场振幅和相位的差异性。一方面，上下辐射振幅差异（单向度）是影响光效利用率的关键，在光学微腔、片上激光器、光学天线等微纳亚波长光子元件研究中得到广泛关注；另一方面，上下辐射相位差是实现相干光调控的物理基础，如相干吸收，光控开关等。因此，对非对称辐射行为的深入理解和灵活调控，将对非对称光调控应用具有十分重要的意义。

近年来，以光子晶体平板为代表的周期性微纳亚波长结构中的远场偏振涡旋受到了广泛关注。基于偏振涡旋的图像，研究者们揭示了连续域束缚态（Bound state in the continuum，BIC）和单向导模共振（Unidirectional guided resonance，UGR）两类特殊非对称辐射背后的拓扑属性。然而，对于一般的非对称辐射，即任意的单向度和相位差，动量空间偏振涡旋的图像难以完整描述，极大限制了对非对称辐射演化规律和调控机制的探索。

董建文教授团队在能谷波导【Nat. Mater. 16, 298 (2017), Nat. Commun. 10, 872 (2019)】、角态微腔【Physical Review Letters 122, 233902 (2019)，Natl. Sci. Rev. 10, nwac289 (2023)】等前期研究基础上，将拓扑光学原理引入超构光栅的非对称辐射研究。研究团队提出了一般非对称辐射的赝偏振物理图像，将任意非对称辐射一一映射到赝偏振的几何参量（图1（a））。结合庞加莱球，研究团队发现BIC和UGR分别对应于球心和S2轴的极点，而一般非对称辐射行为则可以由庞加莱球球面完整描述（图1（b））。以双层超构光栅为例，研究团队进一步研究了合成参数空间kx - Δg中赝偏振涡旋的形成机制和演化规律。研究团队发现BIC在参数空间中诱导了带整数拓扑荷的赝偏振涡旋（图1（c））。当打破空间反演对称性时，赝偏振涡旋将分裂为一对半整数的圆偏振点（图1（d）），这使得庞加莱球球面可以被大范围覆盖，由此可基于双层超构光栅实现辐射单向度和相位差的独立调控。进一步，研究团队演示了相位差连续可调的相干完美吸收新应用（图1（e））。相干完美吸收机制能极大增强弱吸收材料的光吸收能力，也被称为反激光。研究团队通过理论分析指出非对称辐射调控可以应用于定制化设计相干完美吸收条件。前文的研究中，拓扑荷守恒律保证了参数空间一对圆偏振点稳定存在，进而保证了相干完美吸收的入射光相位差在-π/2到π/2范围内连续可调。研究团队通过理论计算和全波模拟表明，相干吸收大小可以通过入射光相位差灵活调控，且峰值对应相位差可以在-π/2到π/2内定制化设计（图1（f））。

图1. (a) 上下辐射振幅和相位不同的非对称辐射；(b) 任意非对称辐射的庞加莱球表示；(c, d) 打破空间反演对称性前后的赝偏振场分布；(e) 相干吸收示意图；(f) 不同辐射相位差情况下，相干吸收随入射光相位差的变化。

相关研究成果以“Topological Nature of Radiation Asymmetry in Bilayer Metagratings”为题，于2024年3月11日发表于国际著名期刊《Physical Review Letters》。中山大学为该成果的唯一署名单位，物理学院博士生庄泽鹏为第一作者，董建文教授为唯一通讯作者。物理学院陈晓东副教授、何辛涛副教授和博士生曾浩龙也为本工作做出了重要贡献。该工作得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、广东省首批卓越青年团队项目的大力支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.113801