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近日，北京大学物理学院极端光学团队与暨南大学合作，通过光场轨道角动量实现了单层过渡金属硫化物非线性谷光子的片上定向发射，并且利用泵浦光的拓扑荷符号控制谷光子的传播方向。该工作以“Steering Nonlinear Chiral Valley Photons Through Optical Orbit-Orbit
Coupling (https://doi.org/10.1002/lpor.202400545)”为题，发表于Laser & Photonics Review。二维过渡金属硫化物（TMDC）其谷赝自旋特性可作为信息载体，广泛应用于信息存储和处理。TMDC谷光子发射可以通过自旋-轨道耦合在界面实现定向耦合，传播方向由光的圆偏振态决定。但是，在室温下声子辅助的谷间散射通常会导致谷发射圆偏振度显著降低，限制了谷自由度的调控和应用。研究发现在室温下TMDC的二次谐波具有高圆偏振度，片上定向传输的非线性谷光子将有利于谷自由度的有效激发和调控。 为此，研究团队引入了光轨道角动量调控，实现氮化硅波导中TMDC非线性谷光子在的定向传输。谷光子的圆偏振态取决于泵浦光的圆偏振态，传输方向则由涡旋泵浦光的拓扑荷符号决定，非线性谷光子的定向传输比达0.82。单层WS₂反演对称性和D3h对称性破缺使得二次谐波过程具有非常特殊的手性选择定则：给定旋向的两个基频光子转换为相反旋向的一个倍频光子（图1a-b）。在亚波长波导中，横向空间限制引起导模中的横向自旋，自旋方向与导模传播方向锁定（图1c-d）。因此，不同谷的非线性手性谷光子耦合到相反方向传播的导模，实现光学自旋-轨道耦合。携带轨道角动量的光场也可引发类似自旋-轨道耦合的效应，由涡旋泵浦光激发的倍频谷光子具有螺旋相位梯度，沿波导提供方位角动量。该动量驱使谷光子在波导中定向发射，其方向与偏振态无关（图1e-f）。例如当拓扑荷为+2的泵浦光激发时，无论左旋还是右旋的倍频谷光子均耦合到相同方向。当泵浦光的拓扑荷为-2时，倍频谷光子则沿相反方向传播（图1g-h）。自旋角动量和内禀轨道角动量的组合为发射方向的控制提供了更多途径。
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图1. 通过自旋-轨道和轨道-轨道耦合控制单层WS₂中的非线性手性谷光子的概念图。a-b，K (K′) 谷中的非线性手性光子生成。c-d，σ+和σ-泵浦高斯场激发下的非线性光子单向传播。e-h，具有拓扑电荷ℓFF = ±2的σ+和σ-涡旋泵浦光束激发下的单向传播。自旋角动量和固有轨道角动量的组合提供了控制发射方向的多种方法。
为直观对比基于轨道-轨道耦合和自旋-轨道耦合的定向发射，实验测量了不同偏振态下倍频谷光子的方向性（图2）。结果显示，在高斯光束激发下，谷光子的方向性随偏振态变化，方向性可达0.50。而在轨道角动量激发下，具有相同轨道角动量的谷光子方向性在任何偏振态下均保持一致。综合轨道-轨道和自旋-轨道调控机制，可使得方向性达到 0.82。对于总自旋角动量为0的非线性光子，通过引入高阶拓扑荷可以实现单向发射，为动态控制谷光子发射路径提供了新方法。这一成果不仅拓展了二次谐波领域中光发射定向耦合调控，也为设计紧凑型非线性器件带来了新路径。
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图 2. 基于轨道-轨道耦合和自旋-轨道耦合的非线性定向发射比较。a，实验装置示意图：1064 nm基频光通过偏振器 (P1) 和涡旋相位板 (VPP) 形成线性偏振涡旋光束。对于涡旋光激发，在VPP后添加四分之一波片（QWP）；对于高斯光激发，仅使用QWP并撤去VPP。通过改变 QWP 和 P1 之间的角度来调整偏振态。b，实验方向性随激发偏振态的变化。北京大学博士生林海为第一作者，北京大学物理学院研究员吕国伟和暨南大学教授朱文国为通讯作者。研究工作得到了人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金、量子物质科学协同创新中心和极端光学协同创新中心等支持。
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论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202400545。
--由课题组供稿
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