撰稿|由课题组供稿
光的定向传播和散射是光场调控的重要目标，如何利用最小最简单的光学系统实现这个目标呢？近日，香港城市大学王书波教授课题组与王文瀚教授课题组合作，在光的完备定向性调控上取得新进展，利用各向异性手性实现了亚波长高维度定向源——定向偶极骰，构造了圆偏振偶极子（circular dipole）、惠更斯偶极子(Huygens dipole)和雅努斯偶极子(Janus dipole)的完备定向偶极子空间。定向偶极骰的不同“面”可以自由控制光在不同正交方向上的传播，因此可作为新的光场调控的基本单元，在光通信和量子光学等领域具有广泛的应用潜能。相关研究成果以“Directional dipole dice enabled by anisotropic chirality”为题发表于Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 杂志上。香港城市大学博士生程宇琼为论文的第一作者，合作者包括博士生Kayode Adedotun Oyesina和薛博，王书波教授和王文瀚教授为论文的共同通讯作者，香港城市大学雷党愿教授也对论文做出了重要贡献。
近年来，研究人员基于光的近场定向散射和耦合原理，设计实现了定向偶极子源，包括圆偏振偶极子、惠更斯偶极子和雅努斯偶极子，其在光自旋轨道耦合、非厄米光学、集成光子电路、高定向性量子源及超表面等研究中扮演重要的角色，近年来受到了广泛关注。目前，这些定向偶极子源主要由不同形状或材料的纳米粒子在外部激励下独立实现，如何在同一系统中实现并任意切换各种类型的定向偶极子对提高光场定向调控的维度、丰富其功能性和应用范围意义重大。为了解决这一问题，团队探索了各向异性手性蕴含的多路复用和多功能的光定向调控能力，展示了其对光传播方向的高维控制。
1、在线偏振平面波入射下，一个简单的各向异性手性粒子（如金属螺旋粒子）在同一频率可以产生圆偏振偶极子、惠更斯偶极子和雅努斯偶极子，且不同偶极子对应手性粒子的不同面，因此构成定向偶极子骰子。
2、定向偶极骰构建了一个完备的定向性空间，每个面对应一种类型的定向调控，可控制光在三个正交方向上的耦合和传播，实现了高维的光路由。
3、通过严格的模式分析揭示了定向偶极子完备空间的形成机制—各向异性手性粒子本征模式的选择性激发。螺旋粒子的手性通过奇数阶本征模式产生雅努斯偶极子，其各向异性通过奇数阶和偶数阶本征模式产生圆偏振偶极子，手性和各向异性协作通过奇数阶和偶数阶本征模式产生惠更斯偶极子，这一解析理论为多功能定向光源的设计和优化提供了依据。
4、通过数值模拟和微波实验展示了定向偶极骰对波导光场的高维度调控，偶极子的类型和光场传播的方向可通过调整平面波的入射方向和偏振方向实现自由切换。
图1：金属螺旋粒子实现定向偶极骰。圆偏振偶极子(CD)、惠更斯偶极子(HD)、雅努斯偶极子(JD)表征在骰子的不同面上。图中大箭头表示偶极子的方向，分别对应自旋S、能流Re[P]和无功功率Im[P]的方向。入射线偏振平面波沿yz平面传播，入射方向与-y轴形成夹角θ。底部插图：定向偶极骰可以构建一个完备的定向性空间，实现对波导光传播方向的高维控制。
图2：螺旋粒子的圆偏振偶极子对导波的定向激发。（A）螺旋粒子和波导耦合系统示意图。（B）电偶极子分量的相对幅值和相位随入射波偏振角的变化。（C）螺旋粒子产生的优化圆偏振偶极子（OCD）与波导的定向耦合。（D）理想圆偏振偶极子和优化圆偏振偶极子在波导内激发的磁场幅值。
图3：螺旋粒子的惠更斯偶极子对导波的定向激发。（A）螺旋粒子和波导耦合系统示意图。（B）偶极子的相对幅值和相位随入射波偏振角的变化。（C）螺旋粒子产生的优化惠更斯偶极子（OHD）与波导的定向耦合。（D）理想惠更斯偶极子和优化惠更斯偶极子在波导内激发的电场幅值。
图4：螺旋粒子的雅努斯偶极子对导波的定向激发。（A）螺旋粒子和波导耦合系统示意图。（B）偶极子的相对幅值和相位随入射波偏振角的变化。（C）当螺旋粒子的优化雅努斯偶极子（OJD）位于波导下方时，它的散射场可以耦合到波导中并激发导波模式双向传播。当OJD位于波导上方时，耦合消失。（D）理想雅努斯偶极子（上图）和优化雅努斯偶极子（下图）在波导（WG）内激发的电场幅值。
图5：定向偶极骰与波导定向耦合的数值和实验结果。（A，B）螺旋粒子的圆偏振偶极子的单向性及导波功率随入射偏振角的变化。（C，D）螺旋粒子的惠更斯偶极子的单向性及导波功率随入射偏振角的变化。（E，F）螺旋粒子的雅努斯偶极子的单向性及导波功率随入射偏振角的变化。
在这个工作中，我们研究了各向异性手性的光调控能力。结果表明，亚波长的各向异性手性粒子可以实现完备的定向偶极子空间，各向异性和手性的协同作用能够控制光场的高维定向散射与耦合，这为设计多功能光源和光器件提供了新的物理机制，在集成纳米光学、手性量子光学、超构光学和近场光学成像等领域具有广泛的应用。此外，这一机制也可推广到其他经典波系统，例如声波。
文章链接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2301620120
王书波课题组招聘
课题组主要从事光学和声学方面的理论研究，研究兴趣包括手性光学、非厄米/非互易系统、超材料、超表面和光力等。近年来发表同行评审论文50余篇，含Nature Communications, Science Advances, PNAS共7篇（第一或通讯作者），Physical Review系列20余篇，部分论文获选编辑推荐和Nature Photonics亮点介绍，被EurekAlert, Phys.org等媒体报道。课题组目前招收2名博士后（月薪不低于25000港币）和2名博士生（全额奖学金），欢迎感兴趣的同学邮件联系王老师（shubwang@cityu.edu.hk）并附上个人简历。
