研究背景
矢量涡旋光束因其独特的偏振分布和相位奇点，在量子光学、光学操控、超分辨成像、自由空间光通信及高密度数据存储等领域具有广泛的应用前景。但是传统上，这类光束的生成依赖于复杂的光学系统难以实现集成化、芯片化。BICs 是一类虽处于辐射连续谱中却不向外辐射的光学共振态，其远场偏振分布天然形成涡旋结构。然而，现有 BIC 涡旋激光器多局限于动量空间的 Γ 点（即垂直发射方向），难以实现可调控的倾斜角度发射，限制了其在光束操控、自由空间通信等场景中的应用。Friedrich-Wintgen 干涉机制为破解这一瓶颈提供了理论支撑。该机制指出，两个泄漏共振模式之间可通过破坏性干涉实现辐射损耗的交换，其中一个模式可转变为无辐射的 BIC。这种 FW-BIC 通常出现在共振模式避免交叉点附近，因此可通过调控结构参数，将其设计在任意倾斜波矢位置。
研究内容
本文设计了一种基于有机-无机杂化卤化物钙钛矿的超表面结构。该超表面由矩形晶格排列的空气孔构成，沿 x 和 y 方向的晶格周期分别为 ηa 和 a，其中 η=0.9 为各向异性因子，a=340 nm。这种各向异性设计使得布里渊区也呈现矩形对称性，从而调控共振模式之间的耦合行为。超表面采用热纳米压印技术在钙钛矿薄膜上制备，在光泵浦实验中作者观察到明显的激光阈值行为低于阈值时为宽谱自发辐射；阈值附近出现线宽为0.49 nm的窄带激光峰；高于阈值后，激光强度急剧上升，光谱由激光模式主导。角分辨光致发光谱显示，激光发射主要集中在 FW-BIC 位置，发射角度为 21°，发散角小于 2°。通过分析四个不同偏振方向的远场图像，作者重构了偏振纹理图，发现偏振方向围绕 FW-BIC 奇异点旋转一周，拓扑电荷为 -1，证实了矢量涡旋光束的特性。
创新点一
本文首次实现非Γ点矢量涡旋激光发射：与以往所有 BIC 涡旋激光器不同，本文的 FW-BIC 位于动量空间非零波矢位置，实现了高倾斜角度（21°）的定向发射。
创新点二
本文系统揭示三重导模共振的 FW 干涉机制：与常见的双模式 FW 干涉不同，本文引入三重共振耦合，实现了在二维动量空间中的孤立 FW-BIC，具有更高的模式选择性和辐射控制能力。
结论本文首次在实验上实现了基于 Friedrich-Wintgen 干涉的超表面涡旋激光器，其发射方向为可设计的倾斜角度，并具有矢量涡旋偏振特性。该激光器工作波长为 550 nm，阈值泵浦功率为 11 μW，品质因子超过 1100，发射发散角小于 2°，拓扑电荷为 -1。通过调控晶格各向异性因子 η，可以实现 BIC 位置在动量空间中的连续改变。
启发方面
本文对于三重倒模共振的FW干涉机制有了一个系统性的解释，可以作为平带BIC工作的理论指导，其中的补充材料部分详细论述了三重倒模共振FW干涉机制
文献来源: Nanoletters
Nano Lett. 2023, 23, 4152−4159
作者：Raphael Mermet-Lyaudoz,Clémentine Symonds,Florian Berry,Emmanuel Drouard,Céline Chevalier,Gaëlle Trippé-Allard,Emmanuelle Deleporte,Joel Bellessa,Christian Seassal,Hai Son Nguyen*
发表日期: May, 2023
报告人：喻志翔
