近日，复旦大学物理学系资剑教授、石磊教授团队，在微纳光子学领域取得重要研究进展，研究成果以“Polarization steering light beam shifts via a high-efficiency photonic crystal slab”为题发表在Laser Photonics & Reviews上。论文的共同第一作者为复旦大学的吴舜奔博士生、王昕豪博士生和赵星棋博士生，通讯作者为复旦大学的王佳俊博士和石磊教授。复旦大学资剑教授对本工作做出了重要指导。
基于微纳光子结构的光场调控是现代光学的前沿研究方向之一，能够在亚波长尺度上实现对光传播、辐射及其相互作用的精准掌控。作为典型的微纳光子结构，光子晶体平板因其丰富的能带结构受到广泛关注，并且为光场调控提供了丰富的自由度。近年来，随着对光子能带的深入研究，发现其中还有更丰富的偏振性质，存在连续谱中的束缚态（BIC）和圆偏振点（C point）等各种偏振奇点。光子能带中具有的丰富拓扑偏振构型能够与自由空间中的光场相互作用，实现多种新颖的光学效应。基于光子晶体能带性质的光场调控研究，是当前微纳光子学研究的前沿热点之一。
复旦大学资剑、石磊团队在光子晶体的基本物理性质及其光场调控方面长期开展了系统性研究。近年来，研究团队系统性探索了光子晶体动量空间存在的偏振特性，揭示了其产生及演化机制【PRL 120, 186103 (2018); PRL 123, 116104 (2019); PRL 133, 036201 (2024); PRL 135, 046203 (2025)】。并且，基于光子晶体能带性质，研究团队进一步实现了基于动量空间偏振构型的丰富光场调控效应【Nat. Photonics 14, 623–628 (2020); National Science Review 10.5, nwac234 (2023); PRL 134, 133802 (2025); PRL 135, 026203 (2025)】。
除了直接体现在动量空间的光场调控效应，光子晶体的动量空间调制还包含了对光束在位置空间的独特调控机制与全新效应，也就是对光束在实空间位移的调控。研究团队提出利用光子晶体动量空间的相位调控去实现实空间光束位移调控【Nat Commun 12, 6046 (2021); PRL 129, 236101 (2022)】，实现了垂直入射光束位移以及面内倾斜方向位移等调控效应。相关光束位移调控研究的下一步重点，则是落在了效率以及连续调控自由度等方面，即：在无需检偏器的条件下获得显著位移效果；探寻新调控自由度实现光束位移量的动态连续可调。
本研究创新性地将入射光的偏振作为调控自由度，实现了对光束位移动态连续可调（图1）。研究团队设计了一个反射式的光子晶体平板，可以显著提高对入射光的共振转化效率，结合光子晶体实现的动量空间相位调制，便可在非检偏条件下直接实现显著的光束位移。并且，存在两种不同的入射线偏振，其入射光束的位移分别对应于正方向最大和反方向最大，当逐渐将入射偏振从其中一种连续变化到另一种时，可以预期能够实现光束位移的动态连续调控。
图1 偏振调控光束位移的示意图
图2展示了研究团队具体设计和实验制备的光子晶体平板及其光谱表征结果。实验结果表明该结构可以实现高交叉极化率和低同极化率，与理论设计一致。
图2 光子晶体平板的设计与光学特性表征
通过实验室自主搭建的相位测量系统，研究团队直接测量了该光子晶体平板所实现的动量空间相位调制和转化率（图3）。交叉极化情况下展现了预期的高效率特性以及所具有的高相位梯度调制，为实现偏振可调的光束位移提供了基础。
图3 相位测量系统与偏振转换特性
研究团队测量了光束位移，并在改变入射偏振时测量了光束位移的演化（图4）。对于确定的入射光波长，实验上直接观测到了光束位移大小随入射光偏振变化而连续变化。由于光子能带的特性，光子晶体所实现的位移调控范围还可受到入射光波长的调控。在波长约 780 nm 时，对应于最高转化率，最大的位移范围达到14倍波长。随着入射波长偏离最大转化率的波长，光束位移的最大值有所减小，基于此可以实现不同的光束位移量最大连续调控范围。
图4 偏振操控的光束位移以及不同波长的光束位移
本研究探索了基于光子晶体平板实现的光束位移调控，进一步提出了光束位移调控的新自由度，结合转化效率、入射光偏振、动量空间相位分布与光束位移之间的关联实现了动态连续可调的光束位移调控，丰富了光束位移调控的调控机制与效应。高效光子晶体平板作为一种紧凑平台，在实现高效率的偏振控制的光束位移方面具有巨大潜力，为进一步基于光束位移效应开发新原理微纳光子器件做出了铺垫。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202500913
撰稿|课题组
