基于光子Weyl结构实现无需位置对准的结构光场产生的原理与验证

Manipulating the amplitude, phase, polarization, and frequency of electromagnetic waves is one the basic content of optical study. Structured lights are the customized light fields in one or several of these degree of freedoms, such as vortex beams, cylindrical vector beams, Airy beams, and Bessel beams, which enabled a plenty of special optical functions and broadened the research realm of optical application. However, the generation of structured fields is conventionally based on optical devices with inhomogeneous and aperiodic structures in real position space. Therefore, experiments of generating structured lights must be well aligned in position space and the devices should be fabricated with high precision, which makes the related experiments more difficult. In this project, we will explore the principle of producing complex structured light based on periodic photonic Weyl structures but inhomogeneous and aperiodic structures, and make the position alignment no longer necessary for producing structured lights by realizing the manipulation of one or several degree of freedoms in momentum space. The implementation of this proposal will not only reduce the requirements of device aligning and processing precision in practical optical applications, but will direct a new way of the application of topological photonic structures.

对电磁波的振幅、相位、偏振、频率等自由度的任意操控，一直是光学研究最基本的内容之一。结构光场在实位置空间上对光场的一个或者几个自由度进行特殊调控，产生了诸如涡旋光束、柱矢量光束、艾利光束、贝塞尔光束等一系列具有特殊用途的稳定光场，大大拓展了光学应用的范围。但是，传统的结构光场的产生方法都离不开实位置空间上非周期且非均匀的光学元件的支持。这样就要求在实际的产生过程中必须进行精确的光路对准，且相应的光学元件必须保证极高的加工精度，从而增加了实验的难度。本项目将基于周期性的光子Weyl结构，从原理上探索不使用实位置空间上非周期且非均匀的光子结构来产生结构光场的方法，最终通过在动量空间上实现对光场一个或多个自由度的调控，使结构光场的产生不再需要进行空间位置的对准。本项目的完成，不仅能够降低实际应用中结构光场产生对光路对准、元件加工精度的要求，而且能够开拓出一个拓扑光子结构应用的新方向。

传统的结构光场的产生方法离不开实位置空间上非周期、非均匀的光学元件的支持。这样就要求在实际的结构光场产生过程中必须进行精确的光路对准，且相应的光学元件必须保证极高的加工精度。为了突破这一限制，本项目严格按照申请书设计的技术路线，进行了基于光子Weyl结构实现无需位置对准的结构光场产生的原理与验证的研究工作。首先，我们通过在等效介质模型中引入非局域的电磁响应，构建了基于真实光子Weyl结构的等效理论模型，实现了对光子能带、传输特性、边界场、以及体态电磁场的准确计算，以此阐明了基于光子Weyl结构产生结构光场的基本原理。在此基础上，我们应用不同的边界条件，实现了对光子Weyl结构中边界电磁场的精确调控，并由此提出了一种全角度无反射的负折射理想透镜。最后，基于飞秒激光直写的介电光子结构，我们实验验证了涡旋光束、拉盖尔高斯涡旋光束、厄米高斯涡旋光束、贝塞尔高斯涡旋光束等复杂结构光场的产生效果。此外，非局域等效介质理论的计算方法也为其它新型光子结构的设计与应用提供了有效的理论支撑。