清華新聞網2月5日電 奇異點（EP）是非厄密系統(tǒng)中的一類特殊奇點，在該點處，本征值和本征態(tài)在參數空間中合并，并導致相關希爾伯特空間的降維。在此類系統(tǒng)中，由于本征態(tài)的簡并性，EP只會在某個確定的通道上運行。這種本征特性可被用來實現有趣的不對稱控制，如圓偏振光的不對稱透射和單向無反射現象等。然而，EP的利手性導致孤立EP系統(tǒng)僅能對單個本征態(tài)實現響應，極大程度上限制了其在波前控制領域的應用。因此，構建任意狀態(tài)的奇異效應在實際應用中具有重要意義。此外，迄今為止，在多波長條件下工作的全彩色矢量超表面的設計仍然是一個重大挑戰(zhàn)，如何將波長信息同全偏振矢量場結合對于全色顯示與安全數據存儲應用意義重大。
圖1：雙奇異點實現全彩矢量波前調制示意圖
近日，清華大學深圳國際研究生院副教授宋清華與法國國家科研中心帕特里斯·吉納維特（Patrice Genevet）研究員、臺灣成功大學吳品頡副教授合作提出了擴展EP光子系統(tǒng)特定不對稱響應的新方法，構建了不對稱矢量波前調制的新策略，實現了全偏振態(tài)奇異效應的構造。研究人員發(fā)現，在奇異點處旋轉超結構可以將Pancharatnam-Berry（PB）相位在某一特定圓偏振（CP）轉換通道上進行單獨編碼。通過將鏡像對稱策略應用于納米結構幾何形狀中，可以實現EP本征模式旋向性的反演，從而實現一對正交EP本征態(tài)的構建。研究人員將這兩個源自正交偏振的EP簡并本征模光信號進行疊加，實現了兩個圓偏振光束的不對稱反射，并將超表面響應擴展到CP狀態(tài)之外的所有偏振狀態(tài)。這種EP疊加設計的非厄密反射PB超表面表現出任意且單向的矢量波前整形能力，打破了拓撲超表面的固有局限性。該研究工作提高了拓撲波前整形廣泛應用的可能性，并為拓撲超表面的光通信、數據加密和高密度光學數據存儲開辟了道路，此外，耦合一對EP來實現非對稱響應擴展的策略對于更廣泛的EP系統(tǒng)也具有十分重要的參考意義。
圖2：雙奇異點拓撲矢量超表面的設計原理。(A) 結構單元示意圖，水平線偏振光沿-z方向垂直入射超表面。（B）單元結構S與（C）其鏡像對稱結構Sm在x方向線偏振入射時的表面電流分布的仿真圖。（D-F）通過結合EP和PB相位梯度分布，出射光只往右側偏折，實現左右非對稱波前調制。其中（D）單元結構S只適用于右旋光(RCP)。（E）Sm只適用于左旋光(LCP)。（F）通過疊加S和Sm，可以對出射光的偏振態(tài)進行任意控制。
圖3：具有鏡像對稱結構的雙奇異點的仿真結果。（A）反射光譜的偏振選擇性。在λ = 600nm處可觀察到結構S與Sm分別對應的兩個與的兩個反射零點。（B）超表面S與（C）超表面Sm的本征態(tài)與波長的關系在龐加萊球上的投影。表明它們在λ = 600nm處在兩個極點（RCP和LCP）簡并。其中Es1與Es2代表兩個本征態(tài)。
圖4：具有不同偏振設計的不對稱超全息圖的制作與測量結果。全息圖的偏振設計分別為（A）左旋LCP (χ = -45°)；（B） 右旋 RCP(χ = 45°)；（C）線偏LP-45° (ψ = 45°,χ = 0°)和（D）橢偏ELP (ψ = 0°, χ = 18.43°）。非對稱全息圖像在30°時可以看到清晰的“L”、“R”、“A”和“H”圖像，但在對角-30°時僅出現模糊且不完整的圖像。（E）全息圖像對應偏振在龐加萊球上的投影。 藍點：設計的偏振。 紅點：實驗測量的偏振。
相關研究成果以“創(chuàng)建任意偏振控制的奇異點對：非對稱矢量波前調制”（Creating Pairs of Exceptional Points for Arbitrary Polarization Control: Asymmetric Vectorial Wavefront Modulation）為題發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。
本文通訊作者為宋清華、帕特里斯·吉納維特與吳品頡。第一作者為清華大學深圳國際研究生院2022級博士生楊子矜與臺灣成功大學博士生黃柏勝，合作者包括清華大學深圳國際研究生院秦昊燁、鄧敏聰副教授、韓三陽助理教授和李勃教授，臺灣成功大學林佑璁博士，法國國家科研中心赫蘇斯·祖尼加-佩雷斯（Jesús Zú?iga-Pérez），同濟大學施宇智特聘研究員、王占山教授、程鑫彬教授以及伯克利加州大學Boubacar Kanté教授等。該工作得到了國家自然科學基金委、國家重點研發(fā)計劃、深圳市科創(chuàng)委等部門和項目的支持。
此外，宋清華團隊進一步提出了一種獨特的“僅相位”型全彩矢量全息策略，并開發(fā)了一種基于離散傅里葉變換的先進圖像補償算法，能夠在多波長條件下校正多色圖像的尺寸和位置。通過將該補償算法與雙奇異點結合，在較寬的波長范圍內抑制了特定CP通道的轉化，實現了寬帶條件下的不對稱波前操作，并且證實了EP對的多通道復用能力。該團隊所設計的全色矢量加密方案能夠將波長和偏振信息獨立地編碼到強度分布中，顏色和偏振特性的耦合顯著增加了超表面信息容量，從而凸顯了其在光束整形、光學成像和顯示、數據存儲和信息處理應用中的巨大潛力。
圖5：基于雙奇異點的非對稱全彩矢量全息示意圖。（A）通過使用PB相位，具有相同圖案但不同大小的紅綠藍三色全息圖像在水平線偏光（LP-H）照明下以指定角度重疊，（B）從而在感興趣的區(qū)域產生任意（C）方位角和（D）橢偏率的非對稱全彩矢量全息圖。
圖6：不對稱全彩矢量全息圖測量結果。（A）制備的超表面的 SEM 圖像和（B）其局部放大圖像。（C）測量的30°方向區(qū)域的強度、（D）方位角和（E）橢偏率。
相關研究成果以“奇異點對助力非對稱全彩矢量超全息術”（Asymmetric Full-color Vectorial Meta-holograms Empowered by Pairs of Exceptional Points）為題發(fā)表在《納米·快報》（Nano Letters）上。
本文通訊作者為宋清華、吳品頡與中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所副研究員黃偉。第一作者為楊子矜與黃柏勝，合作者包括清華大學深圳國際研究生院秦昊燁、2023級博士生陳佳欣、韓三陽助理教授和李勃教授，臺灣成功大學林佑璁博士，暨南大學鄧子嵐教授，法國國家科研中心赫蘇斯·祖尼加-佩雷斯和帕特里斯·吉納維特研究員等。該工作得到了國家自然科學基金委、國家重點研發(fā)計劃、深圳市科創(chuàng)委等部門和項目的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-44428-z
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c03611
供稿：深圳國際研究生院
編輯：陳曉艷
審核：周襄楠
