撰稿|由课题组供稿
近日，复旦大学光子晶体课题组通过对二维光子晶体平板进行对称性调制，在实验上实现了基于具有高阶拓扑荷的连续谱中束缚态的动量空间偏振奇点的产生与调控。相关成果以“Realizing tunable evolution of bound states in the continuum and circularly polarized points by symmetry breaking”为题，发表在ACS photonics期刊上。
近年来，光子晶体的动量空间偏振奇点得到了广泛的关注。作为动量空间中的一类拓扑缺陷，偏振奇点在动量空间中与偏振场的涡旋结构紧密相关，如连续谱中的束缚态(BIC)与圆偏振点(C point)，在偏振场中它们分别是整数涡旋与半整数涡旋的中心，有着奇特的光学性质。作为整数涡旋的中心，BIC的偏振态无法被定义，表现为零辐射的特殊局域态，其极高的品质因子与偏振场的涡旋构型，可以在激光、非线性光学和涡旋光生成中得到应用。而C points则是圆偏振的辐射模式，可以应用于光-物质相互作用、手性辐射等。
为了更好地研究与应用偏振奇点，寻找有效的方式来调控偏振奇点是十分重要的。在这一方面，已有许多研究基于光子晶体平板的对称性，实现了各类偏振奇点的产生与演化，课题组在之前的工作中发现了通过破坏C2对称性，可以由Γ点BIC得到C points (Phys. Rev. Lett. 123, 116104)。最近，东京工业大学的Notomi教授等在理论上表明 (Phys. Rev. Lett. 125, 053902)，具有高阶拓扑荷的BIC在对称性破坏过程中会有更丰富的演化行为，这为偏振奇点及偏振态的调控提供了更多的自由度。从实验上通过对称性破坏，实现基于具有高阶拓扑荷的BIC的调控，是推进BICs和C points的实验研究与应用的关键。
研究团队从一个具有高阶BIC的C6对称性光子晶体平板出发，图1 (a)展示了其结构示意图与TE-like能带，在红线标注的能带上存在一个携带-2荷的Γ点BIC。基于这个高阶BIC，研究团队提出了两种破坏对称性的方法，如图1 (c)所示：当结构的对称性由C6破缺成C2时，Γ点BIC将分裂成两个携带-1荷的非Γ点BICs；当结构的对称性由C6破缺成C3时，高阶Γ点BIC将会分裂成六个携带-1/2荷的C points与一个携带+1荷的Γ点BIC。并且，在保持对称性不变的前提下，偏振奇点还会随着结构参数的变化在动量空间中发生连续的演化。
图1. (a) C6对称性光子晶体平板的结构示意图与模拟能带；(b) C6对称性光子晶体平板的圆偏振透射谱；(c) 不同对称性光子晶体平板的原胞与偏振矢量场示意图。
基于微加工与动量空间成像技术，研究团队在实验上制备了上述具有不同对称性的悬空二维光子晶体平板，并测量了对应结构的角分辨透射光谱与等频率图来表征对称性破缺下产生的各类偏振奇点，对高阶BIC在对称性破缺下的多种演化过程进行观测。
首先，研究团队对C6对称性下的高阶BIC进行了表征。图1 (b)展示了圆偏振入射下的角分辨透射谱，黑色箭头标注的能带消光段对应于具有高阶荷的Γ点BIC，它在任何远场入射光下都不能被激发。
图2. C2对称性下的非Γ点BIC关于结构参数t的演化。
接着，研究团队通过改变原胞的纵向矢量长度a将结构的对称性破缺到C2，并引入结构参数t对原胞的变化进行定量描述。为了在实验上对C2对称性下非Γ点BICs的产生与演化进行表征，研究团队制备了一系列具有不同t参数的光子晶体平板。图2展示了这些具有C2对称性的结构在动量空间高对称方向上的线偏振透射谱，能带上黑点标注的消光区域对应于非Γ点BICs，它们在动量空间的高对称方向上随原胞形状的改变发生连续的演化：随着t增大，一对非Γ点BICs沿Γ-X方向相互靠近(t < 0)，直到在Γ点相遇形成高阶的Γ点BIC(t = 0)，之后再次分裂成一对非Γ点BIC并沿Γ-Y方向相互远离(t > 0)。
图3. (a, b) C3对称性光子晶体平板的圆偏振透射谱； (c) C3对称性光子晶体平板的等频率图。
最后，研究团队保持C6对称性平板结构的原胞形状不变，将原胞中的圆形孔洞替换为正三角形孔洞，使得结构的对称性破缺成C3，并引入了一个参数θ表示三角形孔洞的转动自由度。图3 (a)和3 (b)分别展示了θ = 0°和θ = 30°的C3对称性结构的圆偏振透射谱，在左、右旋圆偏振光入射下，黑色箭头标注的能带Γ点处始终呈现消光，对应于C3对称性保护的携带+1荷的Γ点BIC。而红（蓝）色箭头标注的消光区域则是偏振依赖的，对应于左（右）旋的C points，无法被具有相反手性的圆偏振入射光激发。进一步地，研究团队利用动量空间成像系统的等频率图模式，直接观察到了C point在动量空间中的转动演化。图4 (c)展示了对应结构在圆偏振光入射下的等频率图，当θ从0°变化到30°时，图中红、蓝色区域对应的左、右旋偏振态区域与其中的C point表现出同向的转动演化。
研究工作通过调节光子晶体平板的对称性及结构参数，实现了对动量空间偏振奇点的产生与演化的调控，为实际应用中的偏振奇点设计与偏振态调制提供了一条有效的路径。文章的共同第一作者为王昕豪博士生和王佳俊博士生。通讯作者是复旦大学的资剑教授、石磊教授和王佳俊博士生。
本工作得到了国家自然科学基金，国家重点基础研究项目，上海市科委项目等基金的支持。上海复享光学股份有限公司殷海玮博士为动量空间成像光谱技术提供了很大的支持并共同开发了可商用化设备，可服务微纳光子学及交叉学科的发展。
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c01522
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