光场/微波场空间调控

电子芯片经过多年的发展，其容量及处理速度已经逐步达到极限，因此发展基于光子技术的光子芯片是必然趋势。实现光子芯片要求紧凑型光学功能器件和光子集成电路必须实现小型化、可集成化以及可大规模化。如果光场在传播过程中不能保持原来形态，比如衍射展宽后，信号会发生畸变引起功能丧失和光子集成电路的信号串扰。因此实现光场的精密调控具有重要意义。主要从人工带隙结构空间形貌，分数阶拉普拉斯算子和新型光场三个方面开展光场空间调控，重点引入拓扑特性新物理机理，艾里光、光涡旋和光怪波等新类型光场考察基于人工带隙结构的紧凑型光学功能器件和光子集成电路的原理性研究。

1. 拓扑绝缘体是一类内部绝缘表面导电的新物态，光学拓扑绝缘体就是类比拓扑绝缘体，光只在表面耦合，可绕过缺陷。但是衍射造成的展宽不能消除，也仅仅存在于边界上，因此影响了光学功能器件的小型化，也影响了光信号之间的耦合。针对该问题，取得进展包括：

  (1) 理论预言了非线性二阶拓扑绝缘体，并基于飞秒激光直写技术在光学平台首次实现了非线性二阶拓扑绝缘体，得到了无功率阈值限制的非线性拓扑角态和角态孤子[Nat. Phys. 17, 995–1000 (2021); Opt. Lett. 45, 4710-4713(2020)]

       (2) 建立了基于拓扑边界态的波导激光理论，得到了实现能谷霍尔效应拓扑激光、角态激光以及弗洛凯拓扑激光的理论方案[Laser & Photon. Rev. 14, 2000001 (2020). (封面论文); APL Photon. 6, 040802 (2021); APL Photon. 4, 126101 (2019). (Editor’s pick)]。

  (3) 揭示了拓扑边界态的共振耦合与隧穿抑制的物理机理，实现了光场局域化传播的理想效果[Laser & Photon. Rev. 12, 1700348 (2018). (底内封面论文); Opt. Lett. 44, 3342-3345 (2019); APL Photon. 3, 120801 (2018). (Editor’s pick)]。

   (4) 开发了多种新奇的光晶格，得到了固有第II类狄拉克锥的光晶格、超级SSH模型、同时支持玻色子和费米子的超级蜂巢光晶格以及网格状光晶格[Opt. Express 29, 42827-42836 (2021); Adv. Quantum Technol. 3, 2000015 (2020). (封底论文); ACS Photon. 4, 2250-2256 (2017); Ann. Phys. (Berlin) 529, 1600258 (2017). (封面论文); Ann. Phys. (Berlin) 531, 1900295 (2019). (内封面论文)]。

  (5) 通过引入非线性聚焦机理平衡了衍射带来的展宽效应，实现了拓扑边界态孤子，在传播过程中不会发生形变并且对缺陷具有抵抗能力[Nat. Commun. 11, 1902 (2020); Phys. Rev. A 99, 053836 (2019); Adv. Photon. 3, 056001 (2021); Nanophoton. 10, 3559–3566 (2021); Opt. Express 29, 39755-39765 (2021). (Editor’s pick)]

2. 经典光场的传播可由傍轴亥姆霍兹方程(类薛定谔方程)描述，其中拉普拉斯算子描述光场的衍射，是无法避免的，因此考虑可否为拉普拉斯算子引入调制因子,利用分数阶拉普拉斯算子直接调控衍射？分数阶拉普拉斯算子的研究更多在数学领域,是否有真实的物理系统对应？针对该问题，取得的进展包括：

(1) 引入分数阶拉普拉斯算子后,改变调制因子，可直接调控衍射行为，实现光束的锥形衍射等无衍射效果[Phys. Rev. Lett. 115, 180403 (2015); Laser & Photon. Rev. 10, 526-531 (2016)]。

(2) 根据分数阶拉普拉斯算子在倒空间的形态与蜂巢光晶格能带结构中的狄拉克锥的形态的一致性，通过狄拉克外尔方程建立了建立了分数阶拉普拉斯算子与蜂巢光晶格真实物理系统之间的联系，为找到分数阶拉普拉斯算子对应的真实物理系统迈出了一步[Sci. Rep. 6, 23645 (2016); Sci. Rep. 7, 17872 (2017); Ann. Phys. (Berlin) 529, 1700149 (2017); Opt. Express 25, 32401-32410 (2017)]。

3. 新型光场的研究。艾里光具有无衍射、自加速、自愈合等优点，光涡旋具有相位奇点，在未来光信息存储与处理方面具有巨大的应用潜力。取得的进展包括：

(1) 发现艾里光的周期翻转和相变,发展出产生自傅立叶光场的一种新方法,可为开发新型激光模式提供依据[Opt. Lett. 40, 3786-3789 (2015); Opt. Lett. 40, 5742-5745 (2015); Opt. Lett. 41, 3253-3256 (2016); Opt. Lett. 41, 5644-5647 (2016); Opt. Express 23, 10467-10480 (2015); Opt. Express 24, 7495-7506 (2016)]。

(2) 为光波导引入纵向折射率调制,实现了不同空间分布的光涡旋的互转换,可为光存储提供了全新自由度[Adv. Photon. 2, 046002 (2020)]。