曲面双曲极化激元的光学奇异性- 大数跨境

首页

曲面双曲极化激元的光学奇异性

两江科技评论

2023-12-27

导读：近日，厦门大学陈焕阳教授团队在各向异性麦克斯韦鱼眼度量的基础上，通过垂直投影研究了球面上的各向异性极化激元传播特性，并通过计算等效折射率分布和粒子势能揭示了曲面双曲极化激元的光学奇异性。

欢迎课题组投递中文宣传稿，投稿方式见文末

撰稿|由课题组供稿

导读

曲面已成为理解和操纵复杂介质中电磁行为的新研究平台。与平面系统相比，三维曲面结构上的光场调控具有更高的自由度和更广的调控范围。设计特殊的三维结构或打破现有结构的对称性也被广泛应用于产生新的光学现象或提升原有器件的性能。近日，厦门大学陈焕阳教授团队在各向异性麦克斯韦鱼眼度量的基础上，通过垂直投影研究了球面上的各向异性极化激元传播特性，并通过计算等效折射率分布和粒子势能揭示了曲面双曲极化激元的光学奇异性。以“Curved anisotropic polaritons”为题发表在物理学著名期刊《Frontiers of Physics》上(DOI: 10.1007/s11467-023-1360-9)。厦门大学侯韬和葛祎潇为论文第一作者，陈焕阳教授为论文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委员会、国家重点研发计划、江西省自然科学基金等项目的支持。

研究背景

最近，基于范德华异质结构的各向异性极化激元提供了前所未有的极化响应调控手段，从而催生了许多新的纳米光子学应用【Science354(6309), aag1992 (2016)，Adv. Mater. 35(22), 2300301 (2023)，ACS Photonics 10(6), 1841 (2023)】。然而，各向异性极化激元的相关研究主要聚焦于平面体系，很少考虑曲率的影响【Nat. Commun. 13(1), 1465 (2022)】。此外，一些基于曲面结构的奇异光学现象的实验实现往往会面临复杂的电磁参数和面外场干涉的挑战。然而，在大波矢和超薄板近似的影响下，曲面极化激元就可以自然激发强表面模式，并且波前的传播方向取决于介电常数在平面上的比值，这大大降低了实验的复杂性。因此，基于层状材料的各向异性极化激元有望成为未来调控曲面光场的重要方法。

研究亮点

（1）基于变换光学理论将各向异性麦克斯韦鱼眼度规投影到各向异性球面度规中，设计了由各向异性球壳和基底组成的简单模型，利用电偶极子激发球面上的极化激元演示曲面上的各向异性效应(如图1所示)，并通过坐标变换的概念将结果推广至纺锤类曲面上。

图1 (a)球面和纺锤面测地线透镜。 (b)从球面到麦克斯韦鱼眼平面的投影示意图。(c)曲面各向异性极化激元的示意模型。

（2）根据各向异性比不同，椭圆波会在平面中表现出自聚焦或焦散效应（图2a-b），而双曲波会汇聚于平面中心或发散（图3 a-b）。本文以自然各向异性范德华材料MoO3为例，分别从几何和波动光学角度演示了椭圆极化激元和双曲极化激元的曲面光学表征。研究表明，在曲率和极端各向异性影响下，水平椭圆极化激元和垂直椭圆极化激元会分别产生平行传播条纹和局部通道化现象，可用于曲面上的信息传输和新光场的构建。而双曲各向异性效应会在球极附近产生对粒子的巨大吸引力，因此，双曲极化激元不会传播到球体的另一侧形成周期轨道，而是聚焦在球表面的两极(图3c-d)。值得一提的是，受中心高折射率的影响，球极附近的光场会被反射而产生干涉条纹。

图2 (a-b)各向异性麦克斯韦鱼眼平面中的椭圆波传播。(c-d)球面上的椭圆各向异性极化激元。

图3 (a-b)各向异性麦克斯韦鱼眼平面中的双曲波传播。(c-d)球面上的双曲各向异性极化激元。

总结与展望

该工作分别从几何光学和波动光学的角度，理论上论证了基于曲面各向异性极化激元的传播特性。基于自然各向异性材料的曲面极化激元能够产生强束缚的表面模式，并且调控十分方便。总的来说，提出的曲面各向异性极化激元为发展结构简单、多自由度的曲面光场调控手段提供了重要参考，该研究也可推广到更多三维结构，如锥形和环形结构，并在光子学中找到新的应用。如黑洞、光学混沌等。