|
▌ARMS 在动量空间偏振涡旋和BIC表征中的应用
利用显微角分辨光谱系统对光子晶体中的奇异性质进行表征
光子晶体
动量空间
偏振
涡旋奇点
连续域光子束缚态 BIC
显微角分辨光谱
【概述】对于光子晶体而言，不同折射率的介质材料交替排列使得光的传播在光波长尺度甚至亚波长尺度受到调制，导致光子在动量空间形成特定的能量分布，即光子能带，简称能带。能带反映了光在光子晶体中传播的色散关系，其结构上被实验证实存在有类似于实空间矢量光场的动量空间偏振场和偏振涡旋，连续域中的束缚态（Bound states in continuum, BIC）也在其中被实验发现。利用实验手段直接观测光子晶体的动量空间及其能带性质，是研究者们一直以来的追求，基于光学傅里叶变换技术的显微角分辨光谱系统可为实验观测这类问题打开新的途径。
2018 年，复旦大学资剑教授研究团队与中国科学院物理研究所的陆凌研究员合作在 PRL 杂志上发表了一篇题为《Observation of Polarization Vortices in Momentum Space》的研究文章。研究团队将光子晶体在动量空间中的偏振态与拓扑光子学相结合，利用基于光学傅里叶变换技术的显微角分辨光谱系统，通过实验首次在周期性等离子体结构的第一布里渊区中观测到动量空间涡旋，且发现旋涡中心有 BIC 这一奇异现象。这项工作为设计高 Q 值的等离子共振、矢量束产生以及研究动量空间中的拓扑光子学提供了一条新的途径。
【样品&测试】本文研究的样品是二维表面等离激元晶体，由银膜衬底 (＞200 nm) 覆盖的周期性介质材料 PMMA，通过热蒸发镀膜、电子束曝光等微纳加工技术制备完成。样品在动量空间中的能带由显微角分辨光谱系统进行表征。通过在系统中加入可旋转的线偏振器 P(α) 和连续可调波长的窄带滤光片，实现不同波长下各个偏振态的等频图测量。
所用到的实验表征系统原理如图 2 所示。该系统基于光学傅里叶变换原理，利用透镜组将样品表面发出的不同角度光信号变换到透镜后焦平面上不同位置，结合 CCD 进行一次成像，无需扫描过程，最终实现显微角分辨光谱测试功能。系统可同时采集对应的光谱信息，是目前表征动量空间相关光学现象的的最佳手段。
图3，(a) 六角晶格样品的能带反射谱及 SEM 结果；(b) 该样品的动量空间偏振涡旋的实验表征结果
|
作者利用该系统对六角晶格结构的样品进行了动量空间能带反射谱和偏振涡旋的实验表征。图 3(a) 展示了样品的能带反射谱结果。当样品表面等离基元模式被入射光激发时，外界光场与模式形成共振，增强金属银的吸收，因此会产生消光。其中消光光谱的峰值在 Γ 点和一个非特定的动量位置消失（蓝色箭头所示），表明其对应的本征光学模式没有与自由空间的辐射通道耦合，并分别形成了两种 BIC。通过改变系统的偏振角度，作者测量了样品在不同偏振方向的等频率图以获得动量空间的偏振涡旋（图3b）。其中彩色位置代表能带消光，黑色位置代表无消光现象。偏振角度的转动伴随黑色条状区域旋转，并在中心 Γ 点处出现 -2 的拓扑荷，在 Γ-K 方向上有 6 个极化涡旋，说明其中心点周围的偏振方向在其周围呈环绕分布。
在光子 - 动量空间及相关研究问题中，实验表征是直接观测奇异光学现象的最佳方式和重要证明手段。复享光学的显微角分辨光谱仪 ARMS，是全球唯一 一款基于 FT-ARS 技术且经过严格工程化开发的的显微角分辨光谱产品，可表征微纳光子学材料在空间、动量、能量和偏振等多维度信息，帮助用户更简单、更清晰地研究光子晶体等材料的动量空间光学特性。ARMS 在研究以上问题中具有以下特点：丰富的测量模式，支持反射、透射、偏振等多种显微角分辨光谱测量模式，同时适配用户不同场景的测试需求；精细的角度分辨能力，角度分辨率可达 0.5°；超宽光谱探测能力，最高可实现 400~1700nm 的光谱测量；瞬态光谱采集能力，毫秒级 (ms) 实现角分辨光谱检测。图 4 展示了利用 ARMS 进行光子晶体的光子能带表征，从该结果中可清晰观测到光子能带在 Γ 点处明显的 BIC 现象。
图4，复享光学的显微角分辨光谱系统 ARMS 及相应动量空间能带表征示例
|
【总结】在光子动量空间中，偏振涡旋、BIC 这类拓扑奇异现象被实验发现，直观的实验表征在挖掘这类光学奇异性质的过程中尤为关键。复享光学的显微角分辨光谱仪 ARMS，使得对光子动量空间内相关现象的直接观测表征成为可能。展望未来，复享光学的显微角分辨光谱技术将持续在微纳光子学研究领域发挥关键作用，进一步推动光子学的进步。▌
【参考文献】
✽ John D. Joannopoulos; Robert D. Meade; Joshua N. Winn;et al. Photonic Crystals: Molding the flow of light. Princeton University Press (2008). Link
✽ Y Zhang; A Chen; J Zi;et al. Observation of Polarization Vortices in Momentum Space. Phy. Rev. Lett. (2018). Link
✽ Y Zhang; Zhao M;L Shi*;et al. Momentum-space imaging spectroscopy for the study of nanophotonic materials. Science Bulletin (2020). Link
|