撰稿|由课题组供稿
代表着光矢量特性的偏振在光通信、传感、成像以及量子光学领域有着非常重要的应用。一般而言，光的偏振态调控可通过各向异性晶体、界面的布儒斯特角、光栅、以及超材料来实现。近来，光学连续能态中的束缚态（BICs）以其超高品质因子特性受到了研究人员的广泛关注，除可用于增强光与物质的相互作用外，其在动量空间的偏振拓扑特征也可用于实现偏振调控。但是，对于特定的偏振调控器件与确定的输入偏振状态而言，输出偏振态是固定的，很难实现对输出偏振态的实时动态调控。
近日，天津师范大学、天津大学、桂林电子科技大学与美国德克萨斯州立大学奥斯丁分校、美国纽约城市大学进行联合攻关，基于简单的硅光子晶体平板结构，在太赫兹波段成功实现了基于BIC的全偏振相干操控，研究成果以“Coherent full polarization control based on bound states in the continuum”为题于2022年8月发表在《Nature Communications》上。
相干控制方法源于反激光器概念的提出，它通过引入多路光入射到光谐振器件上，利用延时差变化来控制各路光之间的干涉。该方法不仅可用于实现光的完美吸收，也可实现对器件输出光的主动调控，调控深度可达100%。因此，相干控制是一种设计高效、可动态调控光器件的有效方法。在这项工作中，研究人员借助于相干完美吸收体的概念，将其推广至偏振转换方面，结合硅光子晶体平板结构中对称性保护BIC的偏振拓扑特征和角度依赖特性，在太赫兹波段，通过精细控制两个相同输入偏振太赫兹波到达样品的相对位相延迟这一新的调控自由度，在太赫兹波段实现了对输出太赫兹偏振态的高效、实时调控，且输出偏振态可通过改变入射角度和样品面内旋转角度覆盖整个庞加莱球，见图1。
图1. （左）基于BIC的太赫兹全偏振相干操控测量系统示意；（右）特定入射角θ和样品面内旋转角φ下，输出偏振态随两输入太赫兹波间相对相位延迟在庞加莱球上的演化情况。
该研究工作中提出的相干控制下的偏振态调控方法不仅极大地扩展了对称性保护BIC在单路偏振光入射下对输出偏振态的调控范围，还可同时实现对输出偏振态的实时调控，为不同波段的主动式光偏振调控器件研究提供了新的思路。
该工作得到了国家自然科学基金、天津市杰出青年基金等项目的资助。天津师范大学康明教授、天津大学研究生张紫莹为该论文的共同第一作者，天津大学张学迁副教授、韩家广教授，美国纽约城市大学Alex Krasnok 博士、Andrea Alù教授为本论文的共同通讯作者，天津大学许全副研究员、博士生吴桐对本工作也做出了重要贡献。
论文信息
Ming Kang, Ziying Zhang, Tong Wu, Xueqian Zhang, Quan Xu, Alex Krasnok, Jiaguang Han and Andrea Alù. “Coherent full polarization control based on bound states in the continuum,” Nature Communications 13, 4536 (2022).
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41467-022-31726-1
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