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为解决在纳米尺度实现高效光操控和传感所需的光场局域增强问题，研究人员开展了拓扑光子波导终端光场局域增强的研究。结果发现通过抑制背向散射可在波导终端实现光能量局域增强，该成果对光与物质相互作用控制及光操控和传感意义重大。
在光的奇妙世界里，高效的光操控和传感一直是科研人员梦寐以求的目标。就像搭建一座精密的光学 “大厦”，每一块 “砖石” 都至关重要。实现这一目标的关键之一，便是在纳米尺度上实现光场的局域增强，从而促进光与物质的强烈相互作用。然而，传统的方法在面对宽带能量局域化这一难题时，显得有些力不从心。比如，在一些纳米光子学和量子光学的应用场景中，如何在纳米级的热点区域实现可调谐的宽带能量局域，成了困扰科学界的一大挑战。
为了攻克这一难题，来自未知研究机构的研究人员踏上了探索之旅。他们的研究聚焦于拓扑光子波导终端光的宽带局域化，致力于揭示其中的奥秘。最终，他们成功地在实验中展示了一种基于强抑制背向散射的电磁场局部增强机制，这一成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。该研究成果为光与物质相互作用的控制提供了新的思路，在光操控和传感领域具有重要的应用潜力，就像为光学 “大厦” 添上了一块关键的 “砖石”，让我们离实现高效光操控和传感的目标又近了一步。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：
- 器件制备：在绝缘体上硅（SOI）平台上制作光子晶体（PhC）平板，通过电子束光刻、反应离子蚀刻等一系列工艺，构建出具有特定结构的拓扑光子波导。
- 近场显微镜技术：使用自制的近场探针，结合异频检测技术，对拓扑光子波导终端的光场进行高分辨率、高信噪比的探测。
- 有限元频域模拟：利用 COMSOL Multiphysics 软件对光子结构进行模拟，简化模拟过程并专注于横向电（TE）偏振模式的研究。
下面来看具体的研究结果：
- 实验观察光能量增强：研究人员运用扫描探针近场显微镜，观察到拓扑光子波导终端的光场分布情况。当激光频率为 202.7THz 时，边缘态传播至终端后，光场能量在约 520nm 的光斑处强烈局域化，局部场能量显著增强。通过改变激光频率和样品的晶格位移（ls）参数进行实验，发现不同频率下光的散射和局域化行为各异。在表面模式带隙内，入射的谷边缘模式无法耦合到输出端口的传播表面态，光只能向后散射或向自由空间辐射；而在带隙外，光则可耦合到平凡表面模式并沿终止界面传播。实验得到的色散图与模拟结果相符，进一步验证了实验的准确性。
- 对称性在保护和场增强中的作用：研究发现，谷边缘模式在遇到终端时，其消逝尾会受到终端对称性的影响，进而影响背向散射速率。研究人员对比了锯齿形（zigzag）和扶手椅形（armchair）两种不同几何形状的终端，发现锯齿形终端能极大地抑制前向传播（K′谷）和反向散射（K谷）模式的重叠，有效降低背向散射速率；而扶手椅形终端则存在较大的模式重叠，背向散射明显。实验结果显示，锯齿形终端处光能量显著增强，强度比波导中前向传播模式的平均强度高 15 倍；扶手椅形终端则无增强现象。理论分析表明，这种现象源于晶格对称性，而非局部共振腔模式的激发。
- 增强的宽带频率依赖性：研究人员对宽带频率范围内的光场增强进行研究，发现场强度增强仅出现在锯齿形终端，且在约 6THz 的频率范围内存在增强现象，在表面模式带隙内增强效果最为显著。随着晶格位移参数的增加，表面模式带的频率升高，增强峰也随之向高频移动，但增强的最大幅度与晶格位移无关。对于频率略高于表面模式带上边缘的情况，由于边缘态与具有低群速度的上表面模式的波函数重叠，也能观察到光能量的局域化现象；而在下表面模式，因重叠不足则无增强现象。
研究结论和讨论部分指出，研究人员利用谷光子晶体（VPCs）作为拓扑光子平台，成功证明了在互易拓扑波导的终端可实现光的显著局域化。只有当终端近似守恒谷自由度时，反射才会被充分抑制，从而实现光的局域化。在锯齿形终端的波导中，研究人员观察到了表面模式带隙频率范围内的宽带光强峰值；对于高于表面模式带隙的频率，光的局域化则归因于边缘态与低群速度的上表面模式的波函数重叠。在扶手椅形终端进行的局部强度测量未发现增强现象，这进一步证实了对称性保护拓扑在增强机制中的关键作用。
这项研究成果为拓扑光子学领域开辟了新的方向。它不仅揭示了一种新的纳米级电磁场增强机制，还为开发利用增强光与物质相互作用的新型器件提供了理论基础和实践指导。未来，研究人员可以进一步探索宽带增强的可能幅度，研究局部设计特征（如晶格位移和终止晶体的选择）对光局域化的影响，以及如何最大化光局域化效应，并将局部场增强与背向散射延迟时间的测量相关联。这些研究将有助于推动片上光子技术的发展，为实现更高效、更智能的光操控和传感提供有力支持。
