Light: Sci. Appl. 封面级研究:光谱奇点拓扑环绕 + BIC共振 = 新一代多功能平面器件

导语

在光学领域,超表面擅长对波前进行局部、空间变化的灵活调控,而光子晶体则以其非局域共振(如连续域束缚态)著称。这两者长期被视为"水火不容"------一个要"变",一个求"稳"。近日,来自中国和新加坡的研究团队提出了一种局域-非局域协同的多功能光子晶体,成功将二者融合于同一平面器件,为平板光学开辟了新维度(https://doi.org/10.1038/s41377-026-02308-3)。

核心内容

研究团队提出并实验验证了一种局域-非局域协同的多功能光子晶体。其核心创新在于:

1.在光子晶体柱内部嵌入可调的"元凹槽"

通过在TiO₂纳米柱中引入宽度可调的矩形凹槽,实现了对局部相位的精细调控。

2.利用拓扑奇点实现2π相位覆盖

通过绕过一个"谱零点"奇点,仅改变凹槽宽度即可实现从0到2π的完整相位调控,无需依赖几何旋转或传播路径。

3.几乎不干扰非局域BIC共振

BIC模式的场分布在中部凹槽处恰好处于最小值,因此凹槽的引入几乎不影响其超高Q值和非局域共振特性。

4.实验验证

研究团队通过电子束光刻成功制备了800×800单元阵列样品,并在550nm波长附近演示了可切换的全息图像(如Genus1和Genus2图案),同时在500nm和600nm处观察到拓扑相的消失,验证了其色散特性。

5.鲁棒性优异

无论是凹槽还是柱体的旋转、尺寸偏差,均不影响局域2π相位调控能力与非局域BIC的保持,极大降低了制造难度。

研究意义

1.首次实现"局部+非局域"在同一平面器件中的协同工作

打破了长期以来超表面与光子晶体"二选一"的设计困境。

2.提供了一种新的相位调控机制

通过光谱奇点拓扑环绕实现相位调制,不依赖旋转对称性,对制备误差容忍度高。

3.器件结构简单、兼容标准微纳加工

只需一次电子束曝光即可同时制备凹槽与光子晶体,无需复杂三维堆叠。

4.为多功能光子器件打开新路径

高阶拓扑物理

模拟光计算(BIC作为算子,局部相位作为编码输入)

高维结构光(涡旋光束、偏振态调控)

成像与显示

图1:局域-非局域协同光子晶体实现波前整形与BIC融合的概念示意图

图2:局域与非局域鲁棒控制的模拟结果

图3:多功能光子晶体的一次性制备

图4:多功能光子晶体中局域与非局域控制的实验表征

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