近日，香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院管君教授團(tuán)隊(duì)在微納光學(xué)領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)工作以“Plasmonic Dirac-vortex lasers via three-dimensional photonic mass vortices engineering”為題發(fā)表于Nature Communications期刊。該研究提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種基于三維光子質(zhì)量渦旋工程的等離激元狄拉克渦旋激光器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光偏振態(tài)與強(qiáng)度分布的可編程調(diào)控，為智能結(jié)構(gòu)化光源提供了新思路。
研究背景
拓?fù)涔庾訉W(xué)為在微納尺度上操控光場提供了強(qiáng)大的理論工具，其核心在于利用光子系統(tǒng)的拓?fù)涮匦詠碓O(shè)計(jì)具有魯棒性的光學(xué)模式和器件。狄拉克渦旋光學(xué)腔作為一種重要的拓?fù)涔鈱W(xué)結(jié)構(gòu)，其物理基礎(chǔ)源于在二維狄拉克方程中引入具有相位纏繞特性的“質(zhì)量項(xiàng)”，從而在渦旋核心處束縛拓?fù)淞隳軕B(tài)，為構(gòu)建微型化、低閾值、結(jié)構(gòu)光發(fā)射的激光器提供了極具前景的平臺(tái)。然而，傳統(tǒng)基于介電材料的狄拉克渦旋腔設(shè)計(jì)通常局限于有限的對(duì)稱性調(diào)控維度，難以靈活、多樣地定制激光光束的遠(yuǎn)場偏振與空間強(qiáng)度分布。其次，由于可見光波段高折射率材料選擇有限且微納加工精度要求極高，高性能狄拉克渦旋激光的實(shí)現(xiàn)仍存在困難，這直接限制了其在前沿技術(shù)場景中的應(yīng)用。
金屬等離激元納米顆粒陣列能支持表面晶格共振模式，可實(shí)現(xiàn)亞波長尺度下的光場束縛和增強(qiáng)，為在可見光波段探索拓?fù)涔庾訉W(xué)提供了獨(dú)特的物理平臺(tái)。通過將等離激元體系的強(qiáng)散射特性與拓?fù)涔庾訉W(xué)中多維對(duì)稱性的精密調(diào)控相結(jié)合，有望打破傳統(tǒng)微腔激光器在遠(yuǎn)場輻射特性定制化方面的瓶頸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)出射光場相位與維度的全自由度操控。
研究內(nèi)容
該研究通過引入鋁納米顆粒徑向位移、角向位移及尺寸變化三個(gè)獨(dú)立微擾參數(shù)，成功構(gòu)建了一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)“光子質(zhì)量渦旋”的三維參數(shù)空間，并在此基礎(chǔ)上，于等離激元晶格中實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場特性可定制的狄拉克渦旋拓?fù)浼す狻＠孟到y(tǒng)哈密頓量中誘導(dǎo)出的非零光子質(zhì)量項(xiàng)，并將其在空間中排布成渦旋結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)出的等離激元狄拉克渦旋腔賦予了對(duì)激光模式近場分布和遠(yuǎn)場輻射特性前所未有的靈活調(diào)控能力。實(shí)驗(yàn)上，利用電子束光刻技術(shù)制備鋁納米腔并結(jié)合有機(jī)染料增益介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了在室溫光泵浦下具有極低發(fā)散角的單模激射。測(cè)試的遠(yuǎn)場輻射圖案與理論預(yù)測(cè)高度吻合，成功展示了從矢量偏振渦旋到具有復(fù)雜空間分布光束的多功能、可編程激光輸出。
圖1 基于三維光子質(zhì)量渦旋工程的等離激元狄拉克渦旋激光器示意圖
示意圖展示了鋁納米顆粒蜂窩晶格，其晶胞的對(duì)稱性破缺構(gòu)成了非零光子質(zhì)量項(xiàng)。將調(diào)制相位映射到實(shí)空間形成質(zhì)量渦旋。納米顆粒腔上覆蓋摻染料溶液和石英蓋片。不同的質(zhì)量渦旋設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生不同的激光遠(yuǎn)場圖案：矢量光束、不對(duì)稱光束和線偏振光束。
圖2 等離激元狄拉克渦旋的微腔設(shè)計(jì)
圖2展示了等離激元狄拉克渦旋腔的完整設(shè)計(jì)流程與關(guān)鍵特性。其設(shè)計(jì)通過在一個(gè)蜂窩狀等離激元晶胞中，同時(shí)引入徑向、方位角和尺寸三個(gè)維度的調(diào)制，在三維參數(shù)空間中構(gòu)造出質(zhì)量項(xiàng)渦旋。理論計(jì)算表明，該調(diào)制能夠在原本具有雙重狄拉克錐的能帶結(jié)構(gòu)中打開帶隙，其帶隙大小和布洛赫模式隨調(diào)制相位變化，并保持帶邊模式的雙重簡并。模擬結(jié)果證實(shí)，該設(shè)計(jì)在渦旋核心處實(shí)現(xiàn)了近場電場的強(qiáng)局域，并激發(fā)出具有徑向偏振特性的矢量渦旋光束。
圖3 三維光子質(zhì)量渦旋調(diào)控
如圖3所示，通過在特定三維方向上構(gòu)建質(zhì)量渦旋，可調(diào)制能帶結(jié)構(gòu)并獲得隨相位變化且雙重簡并的布洛赫模式。近場模擬顯示，在不同三維質(zhì)量渦旋選擇下，電場被束縛于渦旋核心區(qū)，并且第三維度的質(zhì)量項(xiàng)在晶胞內(nèi)誘導(dǎo)出獨(dú)特的布洛赫模式。計(jì)算得到的遠(yuǎn)場圖案揭示了該狄拉克渦旋態(tài)可產(chǎn)生具有復(fù)雜能量分布和結(jié)構(gòu)化偏振輪廓的光束。
圖4 等離激元狄拉克渦旋激光器的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)與性能表征
實(shí)驗(yàn)上，將制備的等離激元狄拉克渦旋腔浸沒于染料溶液中，利用石英基板之間的負(fù)壓構(gòu)成激光器件。光譜測(cè)量表明，該器件可實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射，其單模光譜的邊模抑制比超過50dB。輸出光譜曲線與線寬測(cè)量證實(shí)了其激光閾值行為與相干發(fā)射特性。角分辨微區(qū)光譜顯示實(shí)驗(yàn)測(cè)量與基于空晶格近似的理論能帶結(jié)構(gòu)吻合。此外，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的遠(yuǎn)場光束輪廓證實(shí)了該激光遠(yuǎn)場發(fā)散角小于1°，為具有角向偏振分布的矢量渦旋光束。
圖5 三維光子質(zhì)量渦旋下激光發(fā)射特性調(diào)控
通過選擇性地組合或調(diào)整三個(gè)質(zhì)量項(xiàng)，可以設(shè)計(jì)出不同的狄拉克渦旋腔結(jié)構(gòu)，包括使用任意兩個(gè)質(zhì)量項(xiàng)的設(shè)計(jì)以及三維參數(shù)空間中的任意質(zhì)量渦旋配置。實(shí)驗(yàn)測(cè)得所有這些器件均能實(shí)現(xiàn)單模激光發(fā)射，線寬小于0.2納米。相對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場光束圖案模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)一致，證明了通過三維參數(shù)空間的渦旋工程設(shè)計(jì)，能夠靈活且可控地定制激光器的遠(yuǎn)場輸出特性。這全面展示了該平臺(tái)在按需定制激光發(fā)射特性方面的強(qiáng)大能力和設(shè)計(jì)靈活性。
研究結(jié)論
管君教授團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了一種基于三維光子質(zhì)量渦旋工程的等離激元狄拉克渦旋激光器。該工作通過操控鋁納米顆粒晶格中的多重對(duì)稱性破缺，在三維參數(shù)空間中構(gòu)建了可編程的質(zhì)量渦旋，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)拓?fù)浼す馄鬟h(yuǎn)場偏振和強(qiáng)度分布的靈活、按需定制。該方法超越了傳統(tǒng)調(diào)制方案，將拓?fù)浔Ｗo(hù)與復(fù)雜的場調(diào)控能力相結(jié)合。這項(xiàng)研究不僅為在可見光波段實(shí)現(xiàn)高性能、小型化拓?fù)浼す馄魈峁┝诵滤悸罚矠榻Y(jié)構(gòu)化光源在自由空間光通信、全息術(shù)、超分辨率成像及量子光子學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新途徑。
