【儀表網 研發快訊】6月7日，《激光與光子學評論》(Laser & Photonics Reviews)在線發表了超快光學實驗室在速度調控的移動光學勢壘光場折反射方面取得的最新研究成果，文章標題為“Regulating Light Refraction and Reflection Using Speed-Tailored Optical Potentials”。物理學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：兩個反方向傾斜的波導陣列(即具有相反移動速度的光學勢壘)級聯結構的光束折射示意圖。右圖：兩個同方向傾斜但傾斜度不同的波導陣列級聯結構的折射示意圖。
圖2.波導陣列結構、能帶和光束演化圖。a-d反方向傾斜的波導陣列級聯示意圖、能帶結構和光束折射圖。e-h同方向傾斜但傾斜度不同的波導陣列級聯示意圖、能帶結構和光束折射圖。
折射與反射是發生在介質界面處的基本光束偏折現象。傳統研究主要關注靜止界面或勢壘的折反射效應；移動光學界面或勢壘因表現出獨特的與移動速度相關的折反射規律而近年來備受關注，其中包括：移動速度控制的反射或折射消除效應，多能帶體系中移動界面折射的速度選擇定則和移動速度對無序勢壘的安德森局域效應和對Kramers-Kronig勢壘的單向散射特性的修正效應。傾斜波導陣列因其自身折射率輪廓形成了移動周期勢而為移動勢壘折射研究提供了絕佳平臺。過去傾斜波導陣列的折射研究主要采用多層堆疊的傾斜波導陣列結構，并實現了廣義折反射定律、光學導波和光學Rashba效應。然而三維空間堆疊的傾斜波導陣列不利于片上集成，如何在平面集成光學體系中構造移動光學勢壘并實現光場折反射調控是有待進一步研究的科學問題和發展的方向。
在這項研究中，團隊成員基于平面波導體系構建了兩種類型的移動光學勢壘，通過控制勢壘移動速度實現了對離散光場折反射的精確操控。第一種方案是采用兩個相對傾斜的波導陣列級聯結構，通過調整相對傾斜角引入相對矢勢分布，從而調控陣列界面處的光束折射。研究表明，傾斜操作會引入與速度有關的等效矢勢和標勢，并通過引起波導陣列能帶的左右和上下平移控制陣列中波包傳輸的群速度，從而控制折射方向。團隊成員分別設計了兩個反方向傾斜(圖2a)和兩個同方向傾斜但傾斜度不同的波導陣列(圖2e)級聯結構，能帶分別如圖2b,2f所示；通過控制傾斜度，實現了從負折射(圖2c,2g)到正折射(圖2d,2h)的連續調控。第二種方案是在傾斜波導陣列中引入移動光學勢壘，通過調整勢壘和陣列的相對移動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轉變的臨界速度條件和發生全內反射的速度條件。最后，還基于全反射效應設計了移動速度控制的等效光波導。
圖3.傾斜波導陣列引入移動光學勢壘的結構圖、能帶圖和光束反射圖。a, d, g傾斜波導陣列引入不同速度的移動光學勢壘的結構示意圖；b, e, h相應的能帶結構圖；c, f, i勢壘光束反射的場演化圖。
這項研究不僅拓展了對移動光學勢壘光場折反射基本規律的理解，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、整形和空間模式復用等應用場景奠定了重要理論基礎。該工作是團隊繼2024年在Nature Communications上發表移動光學勢壘的離散時間折射[Nat. Commun15,5444 (2024)]基礎上，在移動光學勢壘空間折射方向做出的又一重要研究成果。
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