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论文基本信息：

标题：
Metasurface-Embedded Topological Photonic Crystal

作者：
Haoye Qin（清华大学深圳国际研究生院）
Wenjing Lv（清华大学深圳国际研究生院）
Jue Li（清华大学深圳国际研究生院）
Zijin Yang（清华大学深圳国际研究生院）
Zengping Su（清华大学深圳国际研究生院）
Yuzhi Shi（同济大学物理科学与工程学院精密光学工程研究所）
Bo Li（清华大学深圳国际研究生院）
Patrice Genevet（科罗拉多矿业大学物理系）
通讯作者： 宋清华（清华大学深圳国际研究生院）

发表时间：
2025年9月6日（2025年4月30日投稿，2025年8月9日返修）

发表期刊：
Laser & Photonics Reviews（JCR-Q1，IF=10）

论文重要图文：

摘要：传统拓扑光子晶体（PhC）在可调性与功能多样性方面常面临局限，而超表面虽具有高度的多功能性，却缺乏固有的拓扑保护。本文提出将超表面嵌入稳健的拓扑光子晶体的概念，以实现多样的波与手性调控，同时不破坏其拓扑特性，从而在平面光学中形成拓扑与功能性的双重优势。通过将精心设计的超表面嵌入源自连续谱束缚态（BIC）的拓扑光子晶体，实现了手性控制、相位梯度波前调控以及奇异点的产生，同时保持了BIC在动量空间中的拓扑奇点。该统一平台突破了拓扑光子学的单一功能范式，使得在紧凑型自由空间器件中实现多功能光调控成为可能，适用于手性传感、涡旋产生及奇异光学等应用。

图1 超表面嵌入式拓扑光子晶体（PhC）。A) 超表面嵌入式拓扑PhC的示意图，展示了功能性与拓扑性的叠加（Q + F），通过在TiO2柱中引入旋转缺口实现。p为周期，θ为旋转角。可工程化的缺口作为嵌入式超表面（EM），用于实现高级功能。B) 方柱PhC承载拓扑BIC，表现为动量空间中拓扑电荷Q = 1的极化涡旋。引入不同几何形状的缺口（虚线轮廓）增强了PhC的设计灵活性，同时保持其固有的拓扑特性。该集成实现了与稳健拓扑特性协同的高级光调控功能（F = 1,2,3），包括可定制的扭转手性（F = 1）、可编程相位梯度（F = 2）以及手性奇异点（F = 3）。

图2 扭转拓扑PhC。A) 在PhC中嵌入旋转方形孔超表面，形成了缺口与柱之间的扭转PhC。缺口深度为385 nm，边长为85 nm。B) 方形EM的旋转为拓扑BIC引入了可工程化的手性。对于向上下方向辐射，特征极化态在稍微偏离Γ点时被评估。C) 当EM旋转角为30°时，扭转Γ-BIC附近的品质因数（Q因子）、Stokes参数S3和偏振角。在Γ点周围，S3接近−1，表明几乎完美的手性。

图3 相位梯度拓扑PhC。A) 各向异性EM的旋转角φ1至φ4在空间上变化，呈现出90°的相位梯度。B) 由梯度EM引起的交叉偏振光束偏转。C) 动量拓扑的存在表现为具有非平凡电荷1的本征极化涡旋。

图4 奇异点拓扑PhC。A) 在旋转EM存在的情况下保持拓扑BIC。插图显示了结合BIC形成奇异点的结构。缺口深度为480 nm，宽度和长度分别为50 nm和85 nm。B) EM在反射Jones矩阵的RL奇点中引发手性选择性，对应于Jones矩阵中的手性奇异点。相应的© Jones矩阵的本征值和(D) 本征态。EP由虚线或星号标记。

论文快览：

解决的问题：
光子晶体因其拓扑保护特性在稳健光场调控中具有重要地位，但其功能单一且缺乏可调控性；相反，超表面能够实现多样化的光学功能，却缺乏拓扑稳健性。这种割裂导致在紧凑自由空间器件中难以同时实现多功能调控与拓扑保护。因此，如何在保持拓扑本征性质的同时引入多样化的光学功能，成为拓扑光子学与平面光学融合中的核心研究空白。

提出的方法：
论文提出了一种超表面嵌入式拓扑光子晶体架构，将可设计的纳米刻蚀结构嵌入二氧化钛方柱光子晶体中，并在保持基于连续谱束缚态的拓扑极点不被破坏的前提下引入额外自由度。通过旋转嵌入的方形或矩形刻槽，结构能够分别实现手性可调的束缚态、基于Pancharatnam-Berry相位累积的相位梯度编码以及Jones矩阵中的手性奇异点。该方法在一个统一的平台内实现了拓扑保护与超表面功能性的结合，从而在亚波长尺度提供多功能光场调控能力。

实现的效果：
结果显示，该结构在不降低束缚态无限品质因数的情况下实现了从线偏振到圆偏振的可调手性覆盖，展现了完整的椭圆率调控范围，并通过嵌入矩形刻槽实现了90度的相位梯度以引导交叉偏振光束偏折。同时，Jones矩阵中出现了可控的手性例外点，其本征值和本征态在特定波长处塌缩，证明了拓扑束缚态与奇异点可在单一器件中共存。这些量化结果表明，该平台能够在保证拓扑稳健性的同时引入复杂的波前工程与手性控制功能。

创新点分析：
该研究的创新在于首次将超表面功能性与拓扑光子晶体的拓扑奇点进行深度融合，提出了拓扑性与功能性双重叠加的统一架构。与传统仅能实现单一功能的拓扑光子器件相比，该方法在保持动量空间极点与拓扑涡旋的同时，通过嵌入几何相位调控实现了手性束缚态、相位梯度偏折和手性例外点的多功能集成。这种跨越功能调控与拓扑保护的设计范式不仅丰富了拓扑光子学的物理内涵，也为奇异光学、手性探测和超薄自由空间光学器件提供了新的路径，凸显出该平台在平面光学多功能集成与拓扑稳健性共存方面的开创性意义。

• H. Qin, W. Lv, J. Li, et al. “ Metasurface-Embedded Topological Photonic Crystal.” Laser Photonics Rev (2025): e01032. https://doi.org/10.1002/lpor.202501032

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