清华大学团队取得重要突破：嵌入超表面的拓扑光子晶体为平面光学赋予“拓扑-功能”双重优势

作者：欧光科技发表时间：2025-09-09 14:46:26

平面光学器件因具备结构紧凑、调控高效等核心特性，长期以来是科研与产业界的重点研究方向。然而，如何使这类器件同时兼具稳健的拓扑保护能力与灵活的多功能调控性能，始终是制约其发展的关键科学问题。近日，清华大学深圳国际研究生院宋清海教授团队提出“嵌入超表面的拓扑光子晶体”创新概念，相关研究成果以“Metasurface-EmbeddedTopologicalPhotonicCrystal”为题发表于光学领域顶级期刊《Laser&PhotonicsReviews》，为平面光学器件的设计与优化开辟了全新技术路径。

研究背景：破解传统光子学器件的功能局限

要充分理解该研究的科学价值，需首先明晰“拓扑光子晶体（PhC）”与“超表面”两大核心概念的特性及固有局限性：

1.拓扑光子晶体：拓扑稳健性突出，但功能调控灵活性不足

拓扑光子晶体是一类具有周期性折射率调制的介质结构，可支持光的布洛赫模传播。多数布洛赫模因能量泄漏现象，普遍存在寿命有限的问题；而“连续体束缚态（BIC）”的发现为解决这一问题提供了新思路——当光场满足相消干涉或对称性失配条件时，可形成“处于连续谱中却不发生辐射”的BIC。此类束缚态在动量空间中会形成拓扑奇点，表现为远场偏振涡旋的中心，赋予拓扑光子晶体优异的抗干扰能力与结构稳健性。然而，传统拓扑光子晶体普遍存在功能单一、可调性受限的问题，难以满足复杂光场操控场景的需求。

2.超表面：功能调控灵活，但缺乏拓扑保护机制

超表面由亚波长尺度的纳米结构阵列构成，可在纳米维度上实现对光场相位、振幅与偏振的精准调控，已成功应用于平面成像、全息显示、光束偏转等场景，且调控精度可达亚波长级别。但超表面的核心短板在于缺乏拓扑保护机制，其光场调控效果易受外界环境干扰，稳定性远低于拓扑光子晶体。

针对上述核心矛盾，清华大学团队提出关键研究思路：将超表面嵌入由BIC衍生的拓扑光子晶体中，通过结构集成实现两者优势互补——既保留拓扑奇点的稳健性，又赋予器件灵活的多功能调控能力，从而突破传统器件的性能瓶颈。

研究核心：三类功能场景实现“拓扑-功能”协同调控

团队通过设计差异化结构的嵌入式超表面，在单一器件中成功实现三类核心光场操控功能，且所有功能均未破坏拓扑光子晶体的固有拓扑特性，具体如下：

场景1：扭转手性调控——实现线偏振BIC向圆偏振BIC的转化

团队在TiO₂材质的光子晶体柱中引入旋转缺口结构，该缺口阵列构成“扭转超表面”。当线偏振光入射至拓扑光子晶体时，扭转超表面可使线偏振BIC转化为圆偏振BIC；同时，表征光束缚能力的关键参数——品质因子（Q因子）仍维持接近无限大的水平。这一结果表明，器件在获得手性调控能力的同时，其拓扑奇点特性未受破坏，为手性分子探测、量子通信等领域的器件研发提供了新方案。

场景2：相位梯度偏转——实现光束精准偏转与拓扑稳定性的协同

为实现光束的精准偏转，团队设计了“各向异性嵌入式超表面”：通过精确控制超表面单元的旋转角度，使光场在传播过程中累积贝里相位（一种由几何结构诱导的相位），进而形成稳定的相位梯度。实验结果显示，该设计可实现光束的精准偏转，且动量空间中拓扑偏振涡旋（电荷Q=1）的特性完全保留。这一突破解决了传统光束偏转器件“调控灵活性与结构稳定性难以兼顾”的问题，为高精度光通信、激光雷达等领域的应用提供了技术支撑。

场景3：手性奇异点构建——实现拓扑BIC与偏振奇点的协同存在

奇异点（EP）是光子学领域的特殊物理现象，当光场的两个本征态重合时，会出现物理性质突变的奇点。在以往研究中，拓扑BIC与奇异点的研究多处于独立状态，且奇异点的构建常依赖于具有损耗的等离子体系统。

本研究中，团队通过精准设计超表面结构，在琼斯矩阵（用于描述光场偏振态的数学工具）中成功构建手性奇异点，实现了拓扑BIC与偏振转换奇点的协同存在。值得注意的是，该器件采用全介质结构（无金属成分），有效避免了材料吸收导致的能量损耗。这一成果不仅在基础物理层面串联起拓扑BIC与奇异点两大核心概念，更将奇异点的应用场景从“有损系统”拓展至“高效低损耗系统”，为超分辨成像、高灵敏度光学传感器的研发奠定了基础。

制备工艺与核心突破：兼顾成熟性与创新性

在器件制备方面，团队采用成熟的“电子束曝光（EBL）+反应离子刻蚀”工艺，嵌入式超表面可与拓扑光子晶体实现同步设计与同步加工，无需额外引入复杂工艺步骤——这一特性为该技术的工业化应用提供了可行性支撑，避免了理论研究与实际生产脱节的问题。

此外，该研究还突破了两项传统认知局限：

1.“拓扑稳健性”与“功能灵活性”的兼容性：首次证实超表面的多功能调控能力与拓扑光子晶体的结构稳健性可实现协同共存，打破了“拓扑器件功能单一、功能器件稳定性差”的固有认知；

2.无损耗奇异点的构建：以往超表面奇异点的研究多依赖等离子体结构（存在显著吸收损耗），而本研究提出的全介质平台大幅提升了奇异点的品质，为高效光场调控提供了新范式。

总结：为平面光学领域提供全新研究方向

清华大学团队的这项研究，不仅在基础物理层面丰富了拓扑光子学的理论体系，更在应用层面构建了“结构紧凑、性能稳健、功能多元”的平面光学器件设计范式。未来，基于“嵌入超表面的拓扑光子晶体”这一架构，有望推动研发更小型化的手性探测器、更高精度的涡旋光源、更轻薄的平面全息显示器件——此类器件将在生物医学检测、量子信息处理、消费电子等领域发挥重要作用，推动光子学技术从“单一功能集成”向“多功能协同集成”的跨越。

正如研究结论所指出的：“该统一平台突破了拓扑光子学的单一功能范式，使紧凑自由空间器件实现多功能光场操控成为可能。”可以认为，此项研究为平面光学技术的发展注入关键动力，具有重要的科学价值与应用前景。