【仪表网 研发快讯】6月7日，《激光与光子学评论》(Laser & Photonics Reviews)在线发表了超快光学实验室在速度调控的移动光学势垒光场折反射方面取得的最新研究成果，文章标题为“Regulating Light Refraction and Reflection Using Speed-Tailored Optical Potentials”。物理学院秦承志副教授为论文第一作者，武汉光电国家研究中心刘梦琳硕士为共同第一作者；王兵教授、陆培祥教授和意大利米兰理工大学Stefano Longhi教授为论文的通讯作者。
图1.研究成果概念图。左图：两个反方向倾斜的波导阵列(即具有相反移动速度的光学势垒)级联结构的光束折射示意图。右图：两个同方向倾斜但倾斜度不同的波导阵列级联结构的折射示意图。
图2.波导阵列结构、能带和光束演化图。a-d反方向倾斜的波导阵列级联示意图、能带结构和光束折射图。e-h同方向倾斜但倾斜度不同的波导阵列级联示意图、能带结构和光束折射图。
折射与反射是发生在介质界面处的基本光束偏折现象。传统研究主要关注静止界面或势垒的折反射效应；移动光学界面或势垒因表现出独特的与移动速度相关的折反射规律而近年来备受关注，其中包括：移动速度控制的反射或折射消除效应，多能带体系中移动界面折射的速度选择定则和移动速度对无序势垒的安德森局域效应和对Kramers-Kronig势垒的单向散射特性的修正效应。倾斜波导阵列因其自身折射率轮廓形成了移动周期势而为移动势垒折射研究提供了绝佳平台。过去倾斜波导阵列的折射研究主要采用多层堆叠的倾斜波导阵列结构，并实现了广义折反射定律、光学导波和光学Rashba效应。然而三维空间堆叠的倾斜波导阵列不利于片上集成，如何在平面集成光学体系中构造移动光学势垒并实现光场折反射调控是有待进一步研究的科学问题和发展的方向。
在这项研究中，团队成员基于平面波导体系构建了两种类型的移动光学势垒，通过控制势垒移动速度实现了对离散光场折反射的精确操控。第一种方案是采用两个相对倾斜的波导阵列级联结构，通过调整相对倾斜角引入相对矢势分布，从而调控阵列界面处的光束折射。研究表明，倾斜操作会引入与速度有关的等效矢势和标势，并通过引起波导阵列能带的左右和上下平移控制阵列中波包传输的群速度，从而控制折射方向。团队成员分别设计了两个反方向倾斜(图2a)和两个同方向倾斜但倾斜度不同的波导阵列(图2e)级联结构，能带分别如图2b,2f所示；通过控制倾斜度，实现了从负折射(图2c,2g)到正折射(图2d,2h)的连续调控。第二种方案是在倾斜波导阵列中引入移动光学势垒，通过调整势垒和阵列的相对移动速度来控制光束的反射行为，并揭示了从无反射到有反射状态转变的临界速度条件和发生全内反射的速度条件。最后，还基于全反射效应设计了移动速度控制的等效光波导。
图3.倾斜波导阵列引入移动光学势垒的结构图、能带图和光束反射图。a, d, g倾斜波导阵列引入不同速度的移动光学势垒的结构示意图；b, e, h相应的能带结构图；c, f, i势垒光束反射的场演化图。
这项研究不仅拓展了对移动光学势垒光场折反射基本规律的理解，也为未来光通信和信息处理中的精确光束控制提供了新思路，为片上光束路由、整形和空间模式复用等应用场景奠定了重要理论基础。该工作是团队继2024年在Nature Communications上发表移动光学势垒的离散时间折射[Nat. Commun15,5444 (2024)]基础上，在移动光学势垒空间折射方向做出的又一重要研究成果。
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