超材料中基于光子角动量的光场调控

Photonic angular momentum provides more degree freedom to control and apply light, both the spin and angular momentum will affect the spatial light intensity distributions and propagation paths. In this project, we propose to study the interaction of micro-structural materials based on several categories and sub-wavelength electromagnetic micro-structure unit, enabling the regulation of the light field amplitude, phase, polarization and transmission routes. And we will realize the optical modulation in more freedom utilizing the optical spin angular momentum which is the polarization dependent and orbital angular momentum associated with the helical phase. Meanwhile we will study to modulate the optical spin orbital angular momentum interaction based on metamaterials, to realize some managed effects by designing the micro-structure unit , such as spin controlled routing selection. The project mainly aimed to explore new optical modulation physical mechanism and create new physical model to reach the various optical manipulations and applications. We expect to acquire the novel and significant research results and publish up to 6 SCI-indexed papers.

光子角动量，为实现光场的调控及应用提供了更多的自由度，光的自旋和轨道角动量将影响光的分布及传播行为。该项目将依赖于亚波长微结构单元构成的微结构材料与电磁场的相互作用，从而实现对光场的振幅、位相、偏振、传播方向等信息的调控。主要结合电磁场所具有的特殊的涡旋相位相关的轨道角动量以及和偏振相关的自旋角动量，实现对光场的多个自由度的调节，同时利用超材料调节光场的自旋角动量和轨道角动量之间的耦合作用。通过构建微结构单元，实现一些可调节的效应，如依赖于光子自旋的路径选择。 项目主要是想发掘新的光场调控的物理机制，创建新的物理模型，实现亚波长结构对光场的多方面的调控，并探索其应用价值。希望在项目的执行期间，做出有意义的新颖的研究成果，发表5-6篇高水平论文。

背景：拓扑光子学已经成为一个快速发展的研究领域，拓扑物理的思想首先被Haldane等引入光学等经典波动系统，随后光的自旋量子霍尔效应被研究者实现，同时Floquet光学拓扑绝缘体被提出。从此，各种光子带隙结构与非平凡拓扑不变量的研究迅速兴起。.内容和结果：超材料是由人工结构单元组成的多功能材料，可以实现不同的拓扑相。我们通过调节超材料单元的共振，耦合等参数，结合群论知识，以及电磁波角动量等特有属性，实现各种新颖的拓扑相，并且由于超材料易加工，我们进行实验观测，尝试各种功能性的拓扑超材料，探索拓扑保护的光学器件：.1）在超材料中实现了外尔点的观测，首次在经典系统中观测到了表面弧。为探索其应用价值，测量了表面波绕过障碍的传播过程，这为实现无损耗光子传输器件提供了可靠的平台，结果发表在Nature communication上。另外，我们利用超材料首次实现了理想的外尓系统，为许多重要的物理概念观测提供了理想的平台。我们在此系统中观测到了拓扑系统中预言的螺旋分布表面态，结果发表在顶级杂志Science上，同期的Science上发表了该领域专家对这个工作的高度评价。.2）首次在超材料中实现了三维的光子狄拉克点，观测到了狄拉克点附近的线性色散关系，依赖于光子自旋的表面波传播，为多通道可调控的信息传播提供了有效的方法，理论和实验工作都发表在Physics Review Letters上。.3）实现了沙漏型节点线，节点线两条能带的上方和下方分别有另一条能带将其锁定，使其容易被破坏，抗干扰能力非常强。结果发表在Physics Review Letters上。.4）基于电磁波的自旋和轨道角动量的耦合特性，设计了自旋选择的螺旋波导，发表在Physical Review Applied 上面。.意义：这些研究不仅丰富了基础物理图像，使我们对一些客观属性有了更好的认识，为探索新的物质提供了一个开放的视角，拓扑光子学还有丰富的潜在应用，比如拓扑激光器。并且拓扑系统的零损耗传输、负折射、无限大散射截面等物理特性更有望在隐身、陀螺导航、雷达等领域开辟新的技术发展方向,这些概念将从根本上革新新一代的光电设备，应用前景广泛。