近日，我校信息科学与工程学院唐志祥教授团队与新加坡国立大学仇成伟教授团队合作，在光学奇点研究领域取得重要进展，相关研究成果以“Dynamics of topological polarization singularity in momentum space”为题，发表在国际著名物理学期刊Physical Review Letters上(Phys. Rev. Lett. 127, 176101, 2021)，并获得湖南省光学学会进展奖一等奖。
近年来，关于光子晶体板中偏振奇点的研究受到广泛的关注。类似于实空间中矢量光场的偏振奇点，将光子晶体板能带上的每一个具有不同面内波矢的本征Bloch模式的远场辐射偏振态映射投影至动量空间中，人们也会发现偏振奇点的存在，包括圆偏振点(C点)，线偏振(L线)和涡旋偏振点(V点)。在这些奇点上的本征模式具有十分有趣的性质。例如，在具有整数拓扑荷数的V点上，由于本征模式的远场辐射的偏振态没有定义，其辐射强度为0。这与连续谱中的束缚态(BICs)密切相关，且基于其高品质因子特性，可以被用来提高传感器的灵敏度，构建激光腔等。另外，在具有半整数拓扑荷数的C点上，本征模式的远场辐射偏振态为圆偏振，这也与光学手性紧密相关。偏振奇点还具有鲁棒的拓扑性质：当改变系统参数时，这些奇点并不会突然消失，但它们在动量空间的位置会发生变化。这也被用来构建对于结构散射损耗不敏感的超高品质因子谐振腔和具有单向辐射特性的谐振腔。迄今为止，各类偏振奇点已在光子晶体板中被发现，例如通过破坏具有整数拓扑荷数的BICs，能得到具有半整数拓扑荷数的C点，以及L线。同时，在能带简并处也直接观察到了C点的存在。对于非简并能带，从0拓扑荷数出发，如何产生和控制偏振奇点来调控本征模式的远场特性，是本研究的主要目标。
图1 上下堆叠光栅结构和两对C点在结构动量空间中的演化轨迹。
本工作通过上下错位堆叠的两个一维光子晶体光栅，从0拓扑荷数出发实现了两对C点的一个完整演化过程，其中包括产生，合并，以及湮灭。有趣的是，在其演化过程中，观察到了C点的两次合并与分裂，并且基于此产生了两个单向辐射的谐振模式以及完美的BICs。该研究为在动量空间中创建各类偏振奇点，如C点和V点，提供了一种灵活的方法，并为控制谐振模式的远场辐射特性，包括辐射通道、远场偏振态以及品质因子提供了新的视角和路径。
图2 C点合并时产生的单向辐射模式和非辐射模式。
该工作第一作者为我校2018级博士生曾益轩(新加坡国立大学仇成伟教授课题组联培)，通讯作者为湖南大学唐志祥教授、新加坡国立大学胡光维博士和仇成伟教授，相关研究工作得到了国家自然科学基金以及国家留学基金项目的资助。此外，曾益轩同学参与的另一项工作“损耗诱导的拓扑相位奇异对的演化与非互易性”也于近日发表在Physical Review Letters上(Phys. Rev. Lett. 127, 266101, 2021)。
