近日，复旦大学物理学系/应用表面物理国家重点实验室资剑教授、石磊教授团队与澳大利亚国立大学Yuri Kivshar教授共同合作，在微纳激光领域取得重要研究进展，研究成果以“Inherent Spin-Orbit Locking in Topological Lasing via Bound State in the Continuum”为题发表在 Physical Review Letters [Phys. Rev. Lett. 134, 133802]。

一、研究背景

连续谱中束缚态（BIC）是一种特殊的拓扑光学奇点，其具有无限高的品质因子，携带偏振定义的拓扑荷，与动量空间中存在的偏振涡旋构型紧密相关。基于这些性质，BIC近年来在传感、涡旋光、激光、玻色-爱因斯坦凝聚等领域得到了广泛应用。BIC的动量空间拓扑偏振结构为远场拓扑光子学提供了新的视角，与之相关的新效应正在持续被探索发现。

光的自旋角动量和轨道角动量是描述光场特性的两个重要指标，其通常与圆偏振（σ_±）和涡旋相位波前的绕转数（l）相关。在拓扑光子学的研究中，自旋和轨道角动量之间被发现存在紧密关联，自旋-轨道相互作用已经在光子学中引发了诸多新奇现象。在基于外场入射的共振光学体系，研究团队在之前的研究已经揭示了BIC的拓扑偏振构型所带来新型光学自旋霍尔效应【Physical Review Letters129(23), 236101 (2022)】。然而，作为BIC在主动发射体系中的重要应用，BIC激光中的自旋-轨道相关现象尚未得到深入探索。

二、研究亮点

图1展示了BIC激光中内禀自旋轨道锁定的原理以及示意图。通过Poincaré球表示，研究团队揭示了BIC的拓扑荷与自旋-轨道锁定之间的内在联系。研究团队通过设计具有C₄ᵥ和C₆ᵥ对称性的光子晶体平板来分别实现不同拓扑荷（+1和-2）的BIC激光。具有+1拓扑荷的BIC激光其模式偏振构型表现为涡旋偏振结构，自旋-轨道锁定关系为|σ_±, ∓1⟩；具有-2拓扑荷的BIC激光其模式偏振构型表现为反涡旋偏振结构，自旋-轨道锁定关系为|σ_±, ±2⟩。

图1.光子能带中BIC的拓扑偏振涡旋以及其中内禀的自旋轨道锁定关系示意图

研究团队在实验制备了设计的光子晶体样品并利用实验室搭建的激光测试系统对BIC激光进行了直接的观测。图2展示了实验制备的光子晶体平板的扫描电子显微镜图像及其动量分辨透射光谱。研究团队通过实验观测到了BIC激光的阈值行为和动量空间激光模式。基于偏振分辨的动量空间成像，实现了对BIC激光矢量偏振结构的观测。对于+1拓扑荷的BIC激光，动量空间激光模式表现为涡旋偏振构型，线偏振检偏下其具有两个节点；对于-2拓扑荷的BIC激光则表现为反涡旋偏振构型，线偏振检偏下其具有四个节点。随着检偏方向的变化，两种BIC激光节点旋转的方向相反，这体现了不同偏振涡旋构型。

图2. 实验制备的两种光子晶体平板以及基于此实现的两种BIC激光

图3通过自旋依赖的自干涉实验，直接观测到了BIC激光中的自旋-轨道锁定现象。对于+1拓扑荷的BIC激光，σ_-和σ₊激光分量的自干涉图案显示其分别具有+1和-1的轨道角动量；而对于-2拓扑荷的BIC激光，σ_-和σ₊分量的自干涉图案则显示其分别具有-2和+2的轨道角动量。这一实验结果与理论预测完全一致，直接验证了BIC激光中的自旋-轨道锁定特性。

图3. BIC激光的自干涉实验结果

由于BIC激光的矢量构型是源于动量空间拓扑偏振涡旋，其自旋轨道锁定的特性在实空间也会有对应的体现。研究团队在实验上进一步直接观测了BIC激光在实空间的自旋分离现象（图4）。+1和-2拓扑荷的BIC激光在实空间中表现出相反的自旋分离行为。这一现象与不同拓扑荷BIC激光动量空间的自旋-轨道锁定特性相对应，进一步揭示了BIC激光的自旋-轨道耦合行为。

图4. BIC激光中内禀自旋轨道锁定所带来的实空间自旋分离

三、总结与展望

本研究在BIC激光中观测其内禀的自旋-轨道锁定现象，揭示了BIC的拓扑荷与实现BIC激光时具有的自旋-轨道锁定特性之间的内在联系。通过利用具有不同旋转对称性的光子晶体平板，研究团队成功实现了不同拓扑荷的BIC激光，并展示了其自旋-轨道锁定特性。这一发现不仅深化了我们对BIC的理解，还为自旋/轨道相关的有源光子器件和拓扑光子学提供了新的研究方向。

论文的共同第一作者为复旦大学的王佳俊博士和王昕豪博士生，通讯作者为复旦大学的王佳俊博士、石磊教授、资剑教授和澳大利亚国立大学的Yuri Kivshar教授。本工作获得了科技部、国家自然科学基金委、上海市科委以及中国博士后基金会等基金项目的支持。