作者：Rain（清華大學，博士生）

一、光的“禁區”

在我們的日常生活中，我們利用鏡子控制光波從一個地方傳播到另一個地方。然而我們日常生活中的鏡子是“不完美”的，鏡子表面由金屬鍍層制成，會吸收相當一部分光。

科學家們經過多年的研究發現，納米結構可以實現近乎完美的鏡子。這些納米結構可由周期性排列的空氣孔組成，對應于光學中的名詞——光子晶體。

光子晶體是介電常數以波長量級為尺度，呈周期性排列的光學結構。周期性結構由于布拉格干涉（名詞解釋>>>），會禁止一定頻率范圍的光傳播到晶體內部，并以超高反射率將其近乎完美的反射。自然界中，蝴蝶亮麗的翅膀、飛蛾的眼睛和一些花朵花瓣的色彩，都是由于光子晶體的反射而產生。布拉格干涉導致入射光呈指數衰減，光只能穿透到光子晶體中較淺的深度，衰減的特征長度稱為布拉格長度（如圖1左側光束所示）。該命名為紀念威廉 H. 和威廉 L. 布拉格父子，他們提出的X射線晶體結構分析法共同獲得了1915年諾貝爾物理學獎。

在以不同長度為周期的特定的光子晶體中，禁止光在任何方向傳播的頻率范圍相應地不同。這個禁止光在任何方向傳播的頻率范圍，稱為光子禁帶。

1987年，美國科學家Eli Yablonovitch和Sajeev John預測了光子禁帶的產生，并被迅速地應用到集成光源和激光器、高效太陽能電池、隱形斗篷、捕獲極小體積的光以及用光信息處理等應用中。

而這些應用都是靜態的，即光子晶體和光傳輸的路徑都是固定的，一旦制作完成后無法改變。如果光在光子晶體中的傳播路徑可以控制，將會催生全新的應用場景，但這是否可行呢？

二、光的重塑

近日，來自荷蘭特文特大學的研究團隊通過操縱光波的形狀，將光波引向光子晶體的“禁區”，傳輸距離遠超布拉格長度。該團隊通過光波的波前重塑，使光選擇性地耦合到特定通道中，從而傳播到晶體中更遠的地方。更重要的是，通過對波前進行正確編程，利用光波間的干涉，可以使它們的強度集中在晶體深處的任意位置（如圖1右側光束所示）。

該成果以 Spatially Shaping Waves to Penetrate Deep inside a Forbidden Gap 為題發表在 Physical Review Letters。

在光子晶體的制作過程中，難免會因工藝誤差產生納米級的無序結構。這些無序結構會產生穿透光子晶體深處的通道，使光波偏離入射光波的軌跡。這些通道通常對于光子晶體的應用是不利的，因為它們使一小部分光波“失控”并隨機散射到晶體中。而本文中學者們正是利用這些隨機散射的通道，取利抑害。

學者利用深度為6 μm的二維硅光子晶體空氣孔結構進行了實驗驗證。首先，驗證了未經過調控的平面波，有95%的入射光被反射；隨后，利用空間光調制器調控了入射光的波前，通過編程，實現了將光波引導到光子晶體原本禁止的帶隙中，傳播距離可達布拉格長度的8倍。將光波聚焦產生一個亮斑，與未調控的光波相比，該亮斑的強度高達100倍。 

三、前景展望

利用制造光子晶體時自然產生的通道，可以在許多光電子應用中找到用途。例如，高效微型光源與片上激光器、魯棒的量子比特、3D光子集成電路等。通過嚴格控制光子晶體的發射特性，使其在量子計算的非線性處理器和光存儲器等先進應用中具有競爭力。

這一現象的本質是由于波的干涉，推而廣之，同樣的現象也可以在電子波、磁自旋波以及聲波中產生。接下來，在3D光子晶體中觀測到固體物理中的安德遜局域態（名詞解釋>>>），即觀測到異常光在晶體內空腔晶格中的跳變，將可重構光傳輸和空腔的結合，并可應用在量子計算的非線性量子操控中，令人期待！

論文信息：

Uppu R, Adhikary M, Harteveld C A M, et al. Spatially shaping waves to penetrate deep inside a forbidden gap[J]. Physical Review Letters, 2021, 126(17): 177402.

論文地址：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.177402

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編輯 | 趙陽