FOE | Yuankun Lin教授八边形渐变光子超晶体的全息制备及其在拓扑光子学中的潜在应用

《Frontiers of Optoelectronics》期刊近日发表了美国北德克萨斯大学Prof. Yuankun Lin的课题组撰写的有关八边形渐变光子超晶体制备和应用的论文。在这篇文章中，他们通过在空间光调制器中引入逐像素的相位工程，采用全息方法在中心非梯度晶格周围形成八个梯度晶格簇，从而制备了梯度光子超晶体。探讨了八边形渐变光子超晶体光子通过带隙工程或形成耦合微环谐振器结构在拓扑光子学中的可能应用。

       Holographic fabrication of octagon graded photonic super-crystal and potential applications in topological photonics 
       Oliver SALE, Safaa HASSAN, Noah HURLEY, Khadijah ALNASSER, Usha PHILIPOSE, Hualiang ZHANG, Yuankun LIN
       Front. Optoelectron.. 2020, 13 (1): 12-17.  

研究背景

用于制作光纤布拉格光栅的相位掩模板之类的衍射光学元件（DOE），已经成为一种非常有吸引力的单光束、单DOE、单次曝光的光子晶体全息制作技术。DOE可用于控制激光束的相位分布，并产生所需的激光强度的空间分布。与传统的二元掩模相比，DOE具有充分利用所有入射光功率和在光束传播方向上调制光场图样的优点。然而，静态的DOE不能通过编程实现激光束的实时动态控制。基于可编程液晶的空间光调制器（SLM）是一种非常有吸引力的DOE，它可以通过硅上液晶的显示图样对激光的振幅或相位进行编码，由此产生的激光束可以形成动态的镊子或微型转子。计算机产生的SLM全息显示可用于设计干涉相位，以产生所需的具有周期、准周期或手性的干涉图样。通过创新的合成方法，SLM已被用于制造具有不同晶格取向、晶格间距和填充比的光子结构。相位图样的任意设计是非常吸引人的，但它们可能导致在一个像素上分配几个灰度级，从而导致超晶格效应。

       SLM中相位图样的逐像素相位工程可以在制造的光子结构中产生最高的分辨率，也可以按照光子晶格记录所需的缺陷。最近有文献报道，SLM中棋盘格式的逐像素相位工程产生了两组干涉光束，用于在正方晶格中制造渐变光子超晶体（GPSCs），其中梯度晶格簇可以具有方形、矩形、六边形或者5重旋转对称性。单反光学元件（ROE）也已与SLM集成，用于具有小特征周期的GPSC的大面积制备。在SLM中使用棋盘格式的逐像素相位图样的主要优点是：即使在SLM中针对不同的梯度晶格簇设计了不同的相位图样，也可以使用相同的ROE。

内容简介

我们采用基于SLM中逐像素相位工程的12光束干涉光刻技术，成功制作了八边形的GPSCs。并讨论了八角形GPSCs的拓扑光子能带结构、耦合环谐振器结构，及其在拓扑光子学中的应用前景。

图文导读

图1（a）红色正方形方框所示为设计的一个单元中相位图样。在区域（I）和（II）中，以棋盘格式给像素分配不同的灰度值组合，线表示衍射的周期单元。（b） 由SLM的相位图样所产生的532 nm激光的衍射图样。红色圆圈所示的12束光，通过傅里叶滤波器进行多光束干涉，拍摄中手机摄像头适当倾斜以避开背面反射点

图2 八边形GPSC全息制作的装置示意图。SLM显示的相位图样所产生的衍射光束在Fourier平面进行滤波，通过4f成像系统形成干涉图样。θ1和θ2分别是2个像素、24个像素周期阵列的一阶衍射角。α1和α2（天顶角）分别是图1（b）中光束1-4和光束5-12的干涉角

图3（a）12光束干涉图样的模拟结果，其中8个渐变区域形成八角形，围绕着中心几乎均匀的区域。黄色方框所示为单个超元胞。（b）所制作样品的扫描电子显微镜（SEM）图像，其中8个梯度区域由红色虚线八边形连接。红色实线方框表示单个超元胞，两个方框表明具有四方对称性。晶格间距参数L=4 μm。（c）532 nm激光所产生的样品的衍射图样。白色虚线方框内的插图给出了中心区域的图案，其中的5个方框起到视觉导引的作用。图中的黄色八角形同样用于视觉导引

图4（a）和（b）为渐变和均匀区域边界电场分布的模拟结果。（c） 八角形GPSCs中可能形成的边环和链环