【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】6月7日，《激光與光子學評論》(Laser & Photonics Reviews)在線發(fā)表了超快光學實驗室在速度調(diào)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(dǎo)陣列(即具有相反移動速度的光學勢壘)級聯(lián)結(jié)構(gòu)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(dǎo)陣列級聯(lián)結(jié)構(gòu)的折射示意圖。
 

　　圖2.波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)、能帶和光束演化圖。a-d反方向傾斜的波導(dǎo)陣列級聯(lián)示意圖、能帶結(jié)構(gòu)和光束折射圖。e-h同方向傾斜但傾斜度不同的波導(dǎo)陣列級聯(lián)示意圖、能帶結(jié)構(gòu)和光束折射圖。
 

　　折射與反射是發(fā)生在介質(zhì)界面處的基本光束偏折現(xiàn)象。傳統(tǒng)研究主要關(guān)注靜止界面或勢壘的折反射效應(yīng)；移動光學界面或勢壘因表現(xiàn)出獨特的與移動速度相關(guān)的折反射規(guī)律而近年來備受關(guān)注，其中包括：移動速度控制的反射或折射消除效應(yīng)，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(yīng)和對Kramers-Kronig勢壘的單向散射特性的修正效應(yīng)。傾斜波導(dǎo)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(dǎo)陣列的折射研究主要采用多層堆疊的傾斜波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)了廣義折反射定律、光學導(dǎo)波和光學Rashba效應(yīng)。然而三維空間堆疊的傾斜波導(dǎo)陣列不利于片上集成，如何在平面集成光學體系中構(gòu)造移動光學勢壘并實現(xiàn)光場折反射調(diào)控是有待進一步研究的科學問題和發(fā)展的方向。
 

　　在這項研究中，團隊成員基于平面波導(dǎo)體系構(gòu)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(xiàn)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(dǎo)陣列級聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整相對傾斜角引入相對矢勢分布，從而調(diào)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(guān)的等效矢勢和標勢，并通過引起波導(dǎo)陣列能帶的左右和上下平移控制陣列中波包傳輸?shù)娜核俣龋瑥亩刂普凵浞较颉F隊成員分別設(shè)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(dǎo)陣列(圖2e)級聯(lián)結(jié)構(gòu)，能帶分別如圖2b,2f所示；通過控制傾斜度，實現(xiàn)了從負折射(圖2c,2g)到正折射(圖2d,2h)的連續(xù)調(diào)控。第二種方案是在傾斜波導(dǎo)陣列中引入移動光學勢壘，通過調(diào)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(tài)轉(zhuǎn)變的臨界速度條件和發(fā)生全內(nèi)反射的速度條件。最后，還基于全反射效應(yīng)設(shè)計了移動速度控制的等效光波導(dǎo)。
 

圖3.傾斜波導(dǎo)陣列引入移動光學勢壘的結(jié)構(gòu)圖、能帶圖和光束反射圖。a, d, g傾斜波導(dǎo)陣列引入不同速度的移動光學勢壘的結(jié)構(gòu)示意圖；b, e, h相應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)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(guī)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(fù)用等應(yīng)用場景奠定了重要理論基礎(chǔ)。該工作是團隊繼2024年在Nature Communications上發(fā)表移動光學勢壘的離散時間折射[Nat. Commun15,5444 (2024)]基礎(chǔ)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。