蜂巢型周期调制下空间结构光场的传输与调控

As a new type of artificial graphene, honeycomb-type photonic structure has large advantage by comparing to other graphene structures. It can be used to directly observe the wave dynamics of graphene analogues. As well, the novel optical wave dynamics explored in honeycomb lattice can be references to discover the physical phenomena in other graphene structures. This project aims to explore the dynamic behaviors of light beams modulated by honeycomb-type period structure, and develop the new mechanism of generating, designing and modulating the spatial-structured beams in honeycomb photonic lattices. The main research contents in this project are included: to study the beam propagation dynamics in the honeycomb photonic lattices based on the full-vector wave equation, and analyze the excitation conditions of different optical waveguide modes; to explore the mechanism of action of pseudo-spin on the light wave propagations under honeycomb-type modulation, by using which the conversion and modulation of optical angular momenta can be realized; to discuss the generation and propagation dynamics of the spatial-structured beams by employ the photonic band-gap structure and wave-coupling property. The results obtained from the above studies can not only help to reveal the law of modulating the phases, polariztions, angular momenta, and etc. for the spatially topological light dynamics with honeycomb-type modulation, but also develop the study field on light transmission and controlling with periodical structures.

蜂巢型光子结构作为一种新型的人造石墨烯结构得到人们的密切关注。与其它类石墨烯结构相比，其优势在于，可用于直观地观察光子结构中类石墨烯的物理现象，而在其中发现的新颖光子行为也可延伸到其它石墨烯结构中。本项目旨在探索蜂巢型周期调制下光波的传输特性，研究其中空间结构光场的产生与调制新机理。拟开展的研究内容包括：基于蜂巢光子晶格中的全矢量波动方程，分析光波在其中的基本传输特性，以此为基础分析光场模式的激发条件；探索蜂巢光子晶格中赝自旋效应对光场的作用机理，分析利用该效应实现光场的角动量转化及调制的机理；利用蜂巢光子晶格的光子带隙和波导耦合特性，分析其中具有不同偏振、相位分布以及传输轨迹的空间结构光场模式的产生与调制。通过以上研究揭示蜂巢晶格中赝自旋对光场的作用条件，掌握蜂巢型周期调制下空间拓扑结构光场的相位、偏振态、动量等的调制规律，从而将周期结构对光束的传输行为和调控功能大大拓展。

石墨烯的出现受到科学界各个领域热烈关注。蜂巢光子晶格的“类石墨烯”现象已经得到了相应的研究，然而关于这种结构更多的潜能还有待发掘。项目的主要研究目标是利用蜂巢型周期对光场的基本作用规律，研究空间光场的偏振、传输轨迹、角动量的调控研究，在此基础上发掘新的物理效应和光学现象，提出新的光场调控方法。主要的研究进展如下：. （1）揭示出蜂巢光子晶格中光波的反常传输现象。主要包括：①基于光子晶格的带隙理论，定义了蜂巢晶格中光波的衍射与折射，并划分的正常、反常的衍射与折射区域；②根据不同衍射、折射区的波矢、模式匹配，激发了多种无衍射、负折射现象；③根据蜂巢晶格六重旋转对称性分析了光波的布洛赫振荡过程中空间频谱、光场模式的演化规律。. （2）发掘了蜂巢晶格对涡旋、艾里光场等空间结构光场的新调控手段。主要包括：①利用蜂巢晶格中赝自旋相关的涡旋激发条件，结合布洛赫振荡的频谱演化规律实现了多涡旋场的激发；②在变形的蜂巢晶格中发现了由于狄拉克点处的带隙分离导致的涡旋简并，通过入射场的选择性激发观察了简并态的分离，另外也观察到了变形引起的类AB干涉效应；③利用布洛赫振荡对光场的衍射限制，提出了多种控制蜂巢晶格中光场的衍射方法，并发现在不同的振荡方向上，仅通过倾斜光束或晶格就实现了对光场两个维度上的衍射限制；④利用晶格中的衍射限制条件实现了对艾里光束、涡旋光束的无衍射、自再现传输； .（3）利用几何相位调制实现了对矢量光场的传输调控。主要包括：①利用空间光调制器的几何相位调制提出了一种将传统激光模式转化为振幅、相位、偏振态任意分布光场的方法，结构紧凑稳定，且转化效率高；②利用几何相位关系提出了一种检测光场偏振态的方法，可高效率地测量任意光场的相位、偏振分布；③分析了蜂巢型周期偏振调制下的光场传输特性，在此基础上提出周期偏振调制场的应用方向；④利用周期性偏振调制器件提出了光场偏振检测以及实现多焦点聚焦场的新方法。