基于光子晶体复杂能带结构的光场调控及相关应用

Photonic crystals can be used to manipulate optical fields in various ways due to their complex structures of energy bands. In the past decades, the properties of band gaps, dispersion relation, iso-frequency contour, and scale invariance are extensively studied in the manipulation of optical fields. Recently, other properties of energy bands, such as topology, degeneracy and accidental degeneracy, and some specific eigen-states have attracted remarkable research interest, manifesting the rich physics and possible applications of photonic crystals (or the “semi-conductors” of photon)..In this proposal, we plan to study the manipulation of optical fields based on photonic crystals from three aspects. Firstly, we will explore the topological properties of band structures, local fields of the topological interface states, and the protection of topology and symmetry for the interface states in low dimensional systems. Special efforts will be made for the theory of effective surface impedance in one dimension and properties of energy “valley” in two dimension. Secondly, specially designed radiation source will be utilized to study the control of radiation field of photonic crystals, the physical properties of bright and dark states are therefore investigated systematically. In the degenerate point of energy band, various vector beams are expected to be constructed based on the multiple degree of freedom of the independent quasi-eigenmodes. With the introduction of some special band structure and topological properties in the manipulation of optical fields, we will combine all these new designs and schemes to the high performance devices in the microwave regime, aiming to develop the technique of near-field manipulation of microwaves and new prototype devices for the control of wave-front and phase.

光子晶体由于其复杂的能带结构为光场调控提供了多种有力的手段。在过去主要是利用光子晶体的带隙、色散关系、等频曲线、标度不变等特殊性质。近来，能带的拓扑性质、简并和偶然简并、特定的本征态等广为人们关注，进一步展示了光子晶体作为“光子半导体”的丰富的物理内涵和应用价值。.本项目拟从三个方面着手开展基于光子晶体的光场调控研究。首先，对于低维体系，我们将深入探讨能带的拓扑性质、拓扑界面态的局域场特性、界面态的拓扑保护和对称性保护。尤其注重一维情况下的等效表面阻抗理论和二维系统中的“能谷”性质。其次，我们通过设计特殊结构的辐射源，研究光子晶体对辐射光场的调控，探讨明态和暗态的物理特性。特别是在能带简并点处，期望利用多重独立本征态构建矢量光束。最后，我们拟将上述最新的利用能带和拓扑特性调控光场的设计思路与微波段高性能器件相结合，目标在实验上发展微波近场调控技术，以及新型的可控波前和相位的原型微波器件。

光子晶体由于其复杂的能带结构为光场调控提供了多种手段。在过去主要是利用光子晶体的带隙、色散关系、等频曲线、标度不变等特殊性质。近来，能带的拓扑性质、简并和偶然简并、特定的本征态等广为人们关注，进一步展示了光子晶体作为“光子半导体”的丰富的物理内涵和应用价值。本项目的研究计划是从三个方面着手开展基于光子晶体的光场调控研究：（一）深入探讨拓扑界面态的局域场特性、界面态的拓扑保护和对称性保护；（二）研究光子晶体对辐射光场的调控，特别是在能带简并点处，探讨明态和暗态的物理特性；（三）将上述结果与微波段高性能器件相结合，发展微波近场调控技术。.围绕研究计划，负责人对光子带隙材料的调控效应研究主要集中在拓扑和类量子效应等方面，主要成果如下。（一）超越能带理论的拓扑效应。拓扑可以刻画向量场的一些整体性质。为了在更广泛的角度来探讨电磁系统独有的拓扑性质，我们近来非常关注能带之外的拓扑效应，并取得较好的成果。例如提出了“相干全反射”的概念，推广了传统的波导条件。目前学界非常关心的连续谱中的束缚态(BIC)是该推广波导条件的自然结果。该工作发表于Phys. Rev. B (Rapid Commun.), 2018和Opt. Express 2020。（二）连续谱中束缚态的稳定性和辐射性质。在一维二聚化的SSH链中，通过微波近场扫描，对导模共振的传播长度进行了测量，文章发表于Phys. Rev. A, 2019。进一步，引入PT对称扰动后，在该体系中发现一类新型BIC，具有不向外辐射但能被外场激发、Q因子发散速率减半、与激射阈值模式成对出现的特点，该论文发表于Sci. Adv. 2020。项目合作方复旦大学，通过破坏平板光子晶体面内的C2对称性，使得原本的BIC分裂成为一对圆偏振态，进而实现在偏振Poincare球上的全覆盖，为偏振操控提供了新的方式，文章发表于Phys. Rev. Lett. 2019。（三）其他类量子效应，如互补金属结构上人工表面等离激元的电磁对偶性[Ann. Phys. (Berlin) 2019]。