近日，哈佛大学和斯坦福大学的研究团队联合发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种基于扭转双层光子晶体的自由空间光束控制技术。这种光子晶体结构可以通过在平面内扭转两层光子晶体，从而将入射光束以不同的角度出射，大部分能量仍保持在所需的出射通道内。该工作以“Free-Space Beam Steering with Twisted Bilayer Photonic Crystal Slabs”为题，发表在《ACS Photonics》上 。
光束控制新方法
在这项研究中，研究团队展示了一种基于逆向设计的扭转双层光子晶体结构。该结构由两层可以相对扭转的光子晶体薄片组成，通过在平面内旋转这两层薄片，可以将垂直入射的光束以不同的出射角度进行衍射。传统的光束控制通常依赖于宏观的光学设置，而这种新方法则采用更紧凑且高效的结构实现了相同功能 。
研究原理与设计
扭转双层光子晶体结构的散射特性高度依赖于扭转角度，这为可重构光子器件提供了令人兴奋的机会。例如，通过调整扭转角度，可以实现可调滤波器、传感器和激光器等应用。在该研究中，研究团队设计了一种新型光子晶体薄片结构，通过优化设计，使得在较大的扭转角度范围内能够实现高效的光束控制，效率超过90%，且出射角度范围可达60度 。
图1：物理概念示意图。
技术应用前景
这种新型光子晶体结构不仅在光束控制方面表现出色，还具有广泛的应用前景。特别是在激光雷达（LiDAR）和自由空间通信等领域，这种紧凑高效的光束控制技术可以显著提高系统性能。此外，通过进一步优化设计，该技术还可以扩展到更广泛的光路功能，实现更通用的光路控制 。
研究团队表示，这项研究表明，利用逆向设计在扭转双层光子晶体系统上进行创新，可以大大提高光子器件的可重构性和性能。未来，研究团队计划探索更多设计自由度和正则化项，以实现更大范围的光束控制，并将该方法推广到更广泛的光路功能 。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c00736
