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▌ARMS 在動量空間偏振渦旋和BIC表征中的應用
利用顯微角分辨光譜系統對光子晶體中的奇異性質進行表征
光子晶體
動量空間
偏振
渦旋奇點
連續域光子束縛態 BIC
顯微角分辨光譜
【概述】對于光子晶體而言，不同折射率的介質材料交替排列使得光的傳播在光波長尺度甚至亞波長尺度受到調制，導致光子在動量空間形成特定的能量分布，即光子能帶，簡稱能帶。能帶反映了光在光子晶體中傳播的色散關系，其結構上被實驗證實存在有類似于實空間矢量光場的動量空間偏振場和偏振渦旋，連續域中的束縛態（Bound states in continuum, BIC）也在其中被實驗發現。利用實驗手段直接觀測光子晶體的動量空間及其能帶性質，是研究者們一直以來的追求，基于光學傅里葉變換技術的顯微角分辨光譜系統可為實驗觀測這類問題打開新的途徑。
2018 年，復旦大學資劍教授研究團隊與中國科學院物理研究所的陸凌研究員合作在 PRL 雜志上發表了一篇題為《Observation of Polarization Vortices in Momentum Space》的研究文章。研究團隊將光子晶體在動量空間中的偏振態與拓撲光子學相結合，利用基于光學傅里葉變換技術的顯微角分辨光譜系統，通過實驗首次在周期性等離子體結構的第一布里淵區中觀測到動量空間渦旋，且發現旋渦中心有 BIC 這一奇異現象。這項工作為設計高 Q 值的等離子共振、矢量束產生以及研究動量空間中的拓撲光子學提供了一條新的途徑。
【樣品&測試】本文研究的樣品是二維表面等離激元晶體，由銀膜襯底 (＞200 nm) 覆蓋的周期性介質材料 PMMA，通過熱蒸發鍍膜、電子束曝光等微納加工技術制備完成。樣品在動量空間中的能帶由顯微角分辨光譜系統進行表征。通過在系統中加入可旋轉的線偏振器 P(α) 和連續可調波長的窄帶濾光片，實現不同波長下各個偏振態的等頻圖測量。
所用到的實驗表征系統原理如圖 2 所示。該系統基于光學傅里葉變換原理，利用透鏡組將樣品表面發出的不同角度光信號變換到透鏡后焦平面上不同位置，結合 CCD 進行一次成像，無需掃描過程，最終實現顯微角分辨光譜測試功能。系統可同時采集對應的光譜信息，是目前表征動量空間相關光學現象的的最佳手段。
圖3，(a) 六角晶格樣品的能帶反射譜及 SEM 結果；(b) 該樣品的動量空間偏振渦旋的實驗表征結果
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作者利用該系統對六角晶格結構的樣品進行了動量空間能帶反射譜和偏振渦旋的實驗表征。圖 3(a) 展示了樣品的能帶反射譜結果。當樣品表面等離基元模式被入射光激發時，外界光場與模式形成共振，增強金屬銀的吸收，因此會產生消光。其中消光光譜的峰值在 Γ 點和一個非特定的動量位置消失（藍色箭頭所示），表明其對應的本征光學模式沒有與自由空間的輻射通道耦合，并分別形成了兩種 BIC。通過改變系統的偏振角度，作者測量了樣品在不同偏振方向的等頻率圖以獲得動量空間的偏振渦旋（圖3b）。其中彩色位置代表能帶消光，黑色位置代表無消光現象。偏振角度的轉動伴隨黑色條狀區域旋轉，并在中心 Γ 點處出現 -2 的拓撲荷，在 Γ-K 方向上有 6 個極化渦旋，說明其中心點周圍的偏振方向在其周圍呈環繞分布。
在光子 - 動量空間及相關研究問題中，實驗表征是直接觀測奇異光學現象的最佳方式和重要證明手段。復享光學的顯微角分辨光譜儀 ARMS，是全球唯一 一款基于 FT-ARS 技術且經過嚴格工程化開發的的顯微角分辨光譜產品，可表征微納光子學材料在空間、動量、能量和偏振等多維度信息，幫助用戶更簡單、更清晰地研究光子晶體等材料的動量空間光學特性。ARMS 在研究以上問題中具有以下特點：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，同時適配用戶不同場景的測試需求；精細的角度分辨能力，角度分辨率可達 0.5°；超寬光譜探測能力，最高可實現 400~1700nm 的光譜測量；瞬態光譜采集能力，毫秒級 (ms) 實現角分辨光譜檢測。圖 4 展示了利用 ARMS 進行光子晶體的光子能帶表征，從該結果中可清晰觀測到光子能帶在 Γ 點處明顯的 BIC 現象。
圖4，復享光學的顯微角分辨光譜系統 ARMS 及相應動量空間能帶表征示例
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【總結】在光子動量空間中，偏振渦旋、BIC 這類拓撲奇異現象被實驗發現，直觀的實驗表征在挖掘這類光學奇異性質的過程中尤為關鍵。復享光學的顯微角分辨光譜儀 ARMS，使得對光子動量空間內相關現象的直接觀測表征成為可能。展望未來，復享光學的顯微角分辨光譜技術將持續在微納光子學研究領域發揮關鍵作用，進一步推動光子學的進步。▌
【參考文獻】
? 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
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