【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】6月7日，《激光與光子學(xué)評論》(Laser & Photonics Reviews)在線發(fā)表了超快光學(xué)實(shí)驗(yàn)室在速度調(diào)控的移動(dòng)光學(xué)勢壘光場折反射方面取得的最新研究成果，文章標(biāo)題為“Regulating Light Refraction and Reflection Using Speed-Tailored Optical Potentials”。物理學(xué)院秦承志副教授為論文第一作者，武漢光電國家研究中心劉夢琳碩士為共同第一作者；王兵教授、陸培祥教授和意大利米蘭理工大學(xué)Stefano Longhi教授為論文的通訊作者。
圖1.研究成果概念圖。左圖：兩個(gè)反方向傾斜的波導(dǎo)陣列(即具有相反移動(dòng)速度的光學(xué)勢壘)級聯(lián)結(jié)構(gòu)的光束折射示意圖。右圖：兩個(gè)同方向傾斜但傾斜度不同的波導(dǎo)陣列級聯(lián)結(jié)構(gòu)的折射示意圖。
圖2.波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)、能帶和光束演化圖。a-d反方向傾斜的波導(dǎo)陣列級聯(lián)示意圖、能帶結(jié)構(gòu)和光束折射圖。e-h同方向傾斜但傾斜度不同的波導(dǎo)陣列級聯(lián)示意圖、能帶結(jié)構(gòu)和光束折射圖。
折射與反射是發(fā)生在介質(zhì)界面處的基本光束偏折現(xiàn)象。傳統(tǒng)研究主要關(guān)注靜止界面或勢壘的折反射效應(yīng)；移動(dòng)光學(xué)界面或勢壘因表現(xiàn)出獨(dú)特的與移動(dòng)速度相關(guān)的折反射規(guī)律而近年來備受關(guān)注，其中包括：移動(dòng)速度控制的反射或折射消除效應(yīng)，多能帶體系中移動(dòng)界面折射的速度選擇定則和移動(dòng)速度對無序勢壘的安德森局域效應(yīng)和對Kramers-Kronig勢壘的單向散射特性的修正效應(yīng)。傾斜波導(dǎo)陣列因其自身折射率輪廓形成了移動(dòng)周期勢而為移動(dòng)勢壘折射研究提供了絕佳平臺(tái)。過去傾斜波導(dǎo)陣列的折射研究主要采用多層堆疊的傾斜波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了廣義折反射定律、光學(xué)導(dǎo)波和光學(xué)Rashba效應(yīng)。然而三維空間堆疊的傾斜波導(dǎo)陣列不利于片上集成，如何在平面集成光學(xué)體系中構(gòu)造移動(dòng)光學(xué)勢壘并實(shí)現(xiàn)光場折反射調(diào)控是有待進(jìn)一步研究的科學(xué)問題和發(fā)展的方向。
在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)成員基于平面波導(dǎo)體系構(gòu)建了兩種類型的移動(dòng)光學(xué)勢壘，通過控制勢壘移動(dòng)速度實(shí)現(xiàn)了對離散光場折反射的精確操控。第一種方案是采用兩個(gè)相對傾斜的波導(dǎo)陣列級聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整相對傾斜角引入相對矢勢分布，從而調(diào)控陣列界面處的光束折射。研究表明，傾斜操作會(huì)引入與速度有關(guān)的等效矢勢和標(biāo)勢，并通過引起波導(dǎo)陣列能帶的左右和上下平移控制陣列中波包傳輸?shù)娜核俣?，從而控制折射方向。團(tuán)隊(duì)成員分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)反方向傾斜(圖2a)和兩個(gè)同方向傾斜但傾斜度不同的波導(dǎo)陣列(圖2e)級聯(lián)結(jié)構(gòu)，能帶分別如圖2b,2f所示；通過控制傾斜度，實(shí)現(xiàn)了從負(fù)折射(圖2c,2g)到正折射(圖2d,2h)的連續(xù)調(diào)控。第二種方案是在傾斜波導(dǎo)陣列中引入移動(dòng)光學(xué)勢壘，通過調(diào)整勢壘和陣列的相對移動(dòng)速度來控制光束的反射行為，并揭示了從無反射到有反射狀態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界速度條件和發(fā)生全內(nèi)反射的速度條件。最后，還基于全反射效應(yīng)設(shè)計(jì)了移動(dòng)速度控制的等效光波導(dǎo)。
圖3.傾斜波導(dǎo)陣列引入移動(dòng)光學(xué)勢壘的結(jié)構(gòu)圖、能帶圖和光束反射圖。a, d, g傾斜波導(dǎo)陣列引入不同速度的移動(dòng)光學(xué)勢壘的結(jié)構(gòu)示意圖；b, e, h相應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)圖；c, f, i勢壘光束反射的場演化圖。
這項(xiàng)研究不僅拓展了對移動(dòng)光學(xué)勢壘光場折反射基本規(guī)律的理解，也為未來光通信和信息處理中的精確光束控制提供了新思路，為片上光束路由、整形和空間模式復(fù)用等應(yīng)用場景奠定了重要理論基礎(chǔ)。該工作是團(tuán)隊(duì)繼2024年在Nature Communications上發(fā)表移動(dòng)光學(xué)勢壘的離散時(shí)間折射[Nat. Commun15,5444 (2024)]基礎(chǔ)上，在移動(dòng)光學(xué)勢壘空間折射方向做出的又一重要研究成果。
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