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▌ARMS 在對稱性破缺高效產(chǎn)生時(shí)空光渦旋表征中的應(yīng)用
利用顯微角分辨光譜技術(shù)對動(dòng)量-頻率空間進(jìn)行表征
時(shí)空光渦旋
傾斜納米光柵
對稱性破缺
顯微角分辨透射光譜
【概述】時(shí)空光渦旋 (spatiotemporal optical vortex， STOV) 是一種攜帶橫向軌道角動(dòng)量的新型結(jié)構(gòu)光束，它可以在空間和時(shí)間維度上同時(shí)控制能量流，因此在超快光與物質(zhì)相互作用中具有重要意義。近年來盡管在 STOV 的產(chǎn)生方面取得了顯著的進(jìn)展，但現(xiàn)有的方法一般依賴于低效的非線性效應(yīng)，或者需要龐大而復(fù)雜的脈沖整形配置，這極大的限制了 STOV 在集成光學(xué)中的廣泛研究和應(yīng)用。
最近，南京大學(xué)徐挺教授、陸延青教授團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)彭超教授合作，在 Nature Communications 雜志上發(fā)表了一篇題為《Observation of spatiotemporal optical vortices enabled by symmetry-breaking slanted nanograting》的研究文章。該研究利用復(fù)享光學(xué)的顯微角分辨光譜儀 ARMS 對傾斜納米光柵在動(dòng)量-頻率空間的孤立零值奇點(diǎn)對進(jìn)行表征，從理論提出并實(shí)驗(yàn)證明了利用傾斜納米光柵組成的微尺度平臺上產(chǎn)生 STOV 的簡便方法，顯著降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性并提高了生成效率。
【樣品 & 測試】實(shí)驗(yàn)中的傾斜納米光柵由 SiO2 襯底和 Si 經(jīng)由等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）、電子束光刻（EBL）、升降和反應(yīng)離子刻蝕（RIE）等工藝過程制備，樣品結(jié)構(gòu)如圖2 所示。器件在動(dòng)量-頻率空間的孤立零值奇點(diǎn)通過橫電（TE）偏振模式下的近紅外顯微角度分辨透射譜表征，STOV 的觀察和表征通過自搭建的時(shí)間分辨的掃描干涉測量裝置完成。
圖2，（a）制備的傾斜納米光柵的光學(xué)顯微鏡照片；（b）樣品傾斜視圖和側(cè)面視圖的SEM圖像
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該研究的理論模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。在具有 C2 對稱性的納米光柵（圖3a）的理論模式結(jié)果中，布里淵區(qū)中心 Γ 點(diǎn)呈現(xiàn)為具有無窮高質(zhì)量因子的 BIC 模式（圖3c）；而當(dāng)系統(tǒng)面內(nèi) C2 對稱性和 Z-鏡面對稱性同時(shí)破缺時(shí)，即傾斜納米光柵中（圖3b），BIC 會(huì)轉(zhuǎn)換為 QBIC 模式，從而解鎖了與外場的能量交換通道，此時(shí)理論模擬中心點(diǎn)的時(shí)間反演不變性確保其在動(dòng)量-頻率空間中呈現(xiàn)出一個(gè)帶有螺旋相位的零值透射奇點(diǎn)（圖3d），該現(xiàn)象成功通過復(fù)享光學(xué)的顯微角分辨光譜儀 ARMS 表征證實(shí)（圖 3e-f）。
圖3，（a）具有C2對稱性的納米光柵示意圖及（c）對應(yīng)理論模擬得到的動(dòng)量-頻率空間中的 BIC；（b）C2對稱及z-鏡像對稱性被打破的傾斜納米光柵示意圖及（d） 對應(yīng)理論模擬得到的動(dòng)量-頻率空間中的零透射奇點(diǎn)；（e）使用復(fù)享光學(xué)的顯微角分辨光譜儀 ARMS 測得傾斜光柵器件在 TE 偏振入射下的角分辨透射譜及其沿白線方向橫截面的光譜。
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在通過對稱性破缺高效產(chǎn)生 STOV 的相關(guān)研究中，對所設(shè)計(jì)的微納光子材料的動(dòng)量-頻率空間實(shí)驗(yàn)表征是重要研究方式。復(fù)享光學(xué)的顯微角分辨光譜儀 ARMS，是全球唯一一款基于 FT-ARS 技術(shù)且經(jīng)過嚴(yán)格工程化開發(fā)的顯微角分辨光譜產(chǎn)品，可在多種測量模式下快速準(zhǔn)確獲得動(dòng)量-頻率空間中的光子色散關(guān)系，幫助用戶更簡單、更清晰地研究對稱性破缺相關(guān)材料的動(dòng)量-頻率空間的光學(xué)特性。ARMS 在研究以上問題中具有以下特點(diǎn)：豐富的測量模式，支持反射、透射、偏振等多種顯微角分辨光譜測量模式，同時(shí)適配用戶不同場景的測試需求；精細(xì)的角度分辨能力，角度分辨率可達(dá) 0.5°；超寬光譜探測能力，最高可實(shí)現(xiàn) 400~1650nm 的光譜測量；瞬態(tài)光譜采集能力，毫秒級（ms）實(shí)現(xiàn)角分辨光譜檢測。圖4 展示了利用 ARMS 進(jìn)行光子晶體的光子模式表征，從該結(jié)果中可清晰觀測到光子能帶在 Γ 點(diǎn)處明顯的 BIC 現(xiàn)象。
圖4，復(fù)享光學(xué)的顯微角分辨光譜系統(tǒng) ARMS 及相應(yīng)動(dòng)量空間光學(xué)模式表征示例
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【總結(jié)】通過利用微納光子材料對稱性破缺可以在自由空間中實(shí)現(xiàn) STOV 的高效產(chǎn)生，該研究方向?yàn)闀r(shí)空波包操縱的集成系統(tǒng)鋪平了道路，微納光子樣品在動(dòng)量-頻率空間的實(shí)驗(yàn)表征在這類研究中具有重要意義。展望未來，復(fù)享光學(xué)的顯微角分辨光譜技術(shù)將持續(xù)在微納光子學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，進(jìn)一步推動(dòng)光子學(xué)的進(jìn)步。 ▌
圖5，文章對復(fù)享光學(xué)顯微角分辨光譜儀 ARMS 的標(biāo)注
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【參考文獻(xiàn)】
? Huo P, Chen W, Zhang Z,;et al. Observation of spatiotemporal optical vortices enabled by symmetry-breaking slanted nanograting. Nature Communications (2024). Link
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