复享光学-ARMS在对称性破缺高效产生时空光涡旋表征中的应用

【概述】时空光涡旋 (spatiotemporal optical vortex， STOV) 是一种携带横向轨道角动量的新型结构光束，它可以在空间和时间维度上同时控制能量流，因此在超快光与物质相互作用中具有重要意义。近年来尽管在 STOV 的产生方面取得了显著的进展，但现有的方法一般依赖于低效的非线性效应，或者需要庞大而复杂的脉冲整形配置，这极大的限制了 STOV 在集成光学中的广泛研究和应用。

图1，STOV产生示意图

最近，南京大学徐挺教授、陆延青教授团队与北京大学彭超教授合作，在 Nature Communications 杂志上发表了一篇题为《Observation of spatiotemporal optical vortices enabled by symmetry-breaking slanted nanograting》的研究文章。该研究利用复享光学的显微角分辨光谱仪 ARMS 对倾斜纳米光栅在动量-频率空间的孤立零值奇点对进行表征，从理论提出并实验证明了利用倾斜纳米光栅组成的微尺度平台上产生 STOV 的简便方法，显著降低了系统的复杂性并提高了生成效率。

【样品 & 测试】实验中的倾斜纳米光栅由 SiO2 衬底和 Si 经由等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、电子束光刻（EBL）、升降和反应离子刻蚀（RIE）等工艺过程制备，样品结构如图2 所示。器件在动量-频率空间的孤立零值奇点通过横电（TE）偏振模式下的近红外显微角度分辨透射谱表征，STOV 的观察和表征通过自搭建的时间分辨的扫描干涉测量装置完成。

图2，（a）制备的倾斜纳米光栅的光学显微镜照片；（b）样品倾斜视图和侧面视图的SEM图像

该研究的理论模拟和实验结果如图3 所示。在具有 C2 对称性的纳米光栅（图3a）的理论模式结果中，布里渊区中心 Γ 点呈现为具有无穷高质量因子的 BIC 模式（图3c）；而当系统面内 C2 对称性和 Z-镜面对称性同时破缺时，即倾斜纳米光栅中（图3b），BIC 会转换为 QBIC 模式，从而解锁了与外场的能量交换通道，此时理论模拟中心点的时间反演不变性确保其在动量-频率空间中呈现出一个带有螺旋相位的零值透射奇点（图3d），该现象成功通过复享光学的显微角分辨光谱仪 ARMS 表征证实（图 3e-f）。

图3，（a）具有C₂对称性的纳米光栅示意图及（c）对应理论模拟得到的动量-频率空间中的 BIC；（b）C₂对称及z-镜像对称性被打破的倾斜纳米光栅示意图及（d） 对应理论模拟得到的动量-频率空间中的零透射奇点；（e）使用复享光学的显微角分辨光谱仪 ARMS 测得倾斜光栅器件在 TE 偏振入射下的角分辨透射谱及其沿白线方向横截面的光谱。

在通过对称性破缺高效产生 STOV 的相关研究中，对所设计的微纳光子材料的动量-频率空间实验表征是重要研究方式。复享光学的显微角分辨光谱仪 ARMS，是全球唯一一款基于 FT-ARS 技术且经过严格工程化开发的显微角分辨光谱产品，可在多种测量模式下快速准确获得动量-频率空间中的光子色散关系，帮助用户更简单、更清晰地研究对称性破缺相关材料的动量-频率空间的光学特性。ARMS 在研究以上问题中具有以下特点：丰富的测量模式，支持反射、透射、偏振等多种显微角分辨光谱测量模式，同时适配用户不同场景的测试需求；精细的角度分辨能力，角度分辨率可达 0.5°；超宽光谱探测能力，最高可实现 400~1650nm 的光谱测量；瞬态光谱采集能力，毫秒级（ms）实现角分辨光谱检测。图4 展示了利用 ARMS 进行光子晶体的光子模式表征，从该结果中可清晰观测到光子能带在 Γ 点处明显的 BIC 现象。

图4，复享光学的显微角分辨光谱系统 ARMS 及相应动量空间光学模式表征示例

【总结】通过利用微纳光子材料对称性破缺可以在自由空间中实现 STOV 的高效产生，该研究方向为时空波包操纵的集成系统铺平了道路，微纳光子样品在动量-频率空间的实验表征在这类研究中具有重要意义。展望未来，复享光学的显微角分辨光谱技术将持续在微纳光子学研究领域发挥关键作用，进一步推动光子学的进步。

图5，文章对复享光学显微角分辨光谱仪 ARMS 的标注

【参考文献】
      ✽ Huo P, Chen W, Zhang Z,;et al. Observation of spatiotemporal optical vortices enabled by symmetry-breaking slanted nanograting. Nature Communications (2024).