物理學系/應用表面物理國家重點實驗室光子晶體課題組近期提出了利用光子晶體的動量空間偏振場和動量空間幾何相位梯度操控光束實空間偏振依賴位移的新機製🧑🏽⚕️，並在實驗上直接觀測了垂直入射光束的線偏振依賴的橫向移動。相關研究成果以《通過控製動量空間幾何相位實現正入射光束的橫向位移》（“Shifting beams at normal incidence via controlling momentum-space geometric phases”）為題❣️，在線發表在《自然通訊》（Nature Com-munications）。
光子晶體因其特殊的周期結構和對光的調控作用面在新型高效光學器件方面呈現出廣泛的應用前景🍖。該項研究工作提出了利用光子晶體調控光束實空間位移的新機製，即利用光子晶體動量空間的偏振場去調控光束的動量空間相位梯度，進而實現對光束實空間的位移調控。這個工作擴展了光子晶體對光束的調控維度👧，進一步證實了光子晶體動量空間的偏振結構可以作為一個有效的光場調控新自由度。
光束在介質界面處發生反射或者透射時🧖🏻，除了幾何光學描述的傳播方向的改變🧙🏻♂️，同時還可能伴隨光束重心位置的移動。光束的實空間位移反映了光束在界面處非凡的傳播行為📍，蘊涵了豐富的物理內容。常見的光束位移主要分為兩類🧔🏿♂️：一類是位移方向沿著入射面內的位移🛏，被稱為 Goos –H.nchen位移📵，其位移的產生是由於 Fresnel系數的角度色散；另一類是位移方向垂直於入射面的位移，被稱為 Imbert–Fedorov位移，這類位移體現了光的自旋軌道相互作用🚋，其位移方向一般是圓偏振依賴的。以往觀察到的光束位移一般都非常小，位移大小遠小於光束的束腰半徑，需要精密的探測方法才能測量到，並且不能在不改變光束傳播方向的同時實現對垂直入射光束的位移🏈。進一步探索光束位移的物理機製，探索有效的調控方法，是推進光束位移調控和應用的關鍵🚣🏽♂️。
基於動量空間和實空間互為倒易空間的這一關系，研究團隊得出光束在界面處的實空間位移是由於光束的動量空間引入了額外的相位梯度🙋。在該項工作中，研究團隊提出利用面內反演對稱性破缺的光子晶體來調控動量空間相位梯度🛐。通過破壞四方光子晶體的面內反演對稱性🥉🪻，會出現左右鏡面對稱分布的偏振場🙎，對於這樣的偏振場，通過入射線偏振入射的交叉極化轉換，相對於入射光偏振正交的光束部分，其動量空間便引入了幾何相位梯度。如此，便可對垂直入射的光束實現位移調控。
研究團隊製備了理論設計的光子晶體🤰🏽，實驗上直接測量到了光束通過光子晶體交叉極化轉換在動量空間引入的相位梯度，進一步直接觀察到了垂直入射的光束在光子晶體上的實空間位移。實驗測量得到的光束位移大小和光束的束腰半徑接近🙎🏽𓀀，切換入射光和交叉極化偏振的偏振方向，光束的位移方向也切換到相反方向🦏。
文章鏈接（https://doi.org/10.1038/s41467-021-26406-5）。
