复旦大学物理学系光子晶体课题组近期提出了利用光子晶体的动量空间偏振场和动量空间几何相位梯度操控光束实空间偏振依赖位移的新机制，并在实验上直接观测了垂直入射光束的线偏振依赖的横向移动。相关研究成果以“Shifting beams at normal incidence via controlling momentum-space geometric phases” 为题，在线发表在Nature Communications（https://doi.org/10.1038/s41467-021-26406-5）。

光束在介质界面处发生反射或者透射时，除了几何光学描述的传播方向的改变，同时还可能伴随光束重心位置的移动。光束的实空间位移反映了光束在界面处非凡的传播行为，蕴涵了丰富的物理。常见的光束位移主要分为两类：一类是位移方向沿着入射面内的位移，被称为Goos–Hänchen位移，其位移的产生是由于Fresnel系数的角度色散；另一类是位移方向垂直于入射面的位移，被称为Imbert–Fedorov位移，这类位移体现了光的自旋轨道相互作用，其位移方向一般是圆偏振依赖的。以往观察到的光束位移一般都非常小，位移大小远小于光束的束腰半径，需要精密的探测方法才能测量到，并且不能在不改变光束传播方向的同时实现对垂直入射光束的位移。进一步探索光束位移的物理机制，探索有效的调控方法，是我们推进光束位移调控和应用的关键。

图1. 动量空间相位梯度导致实空间光束位移示意图

基于动量空间和实空间互为倒易空间的这一关系，研究团队得出光束在界面处的实空间位移是由于光束的动量空间引入了额外的相位梯度。在这个工作中，研究团队提出利用面内反演对称性破缺的光子晶体来调控动量空间相位梯度。通过破坏四方光子晶体的面内反演对称性，会出现左右镜面对称分布的偏振场，对于这样的偏振场，通过入射线偏振入射的交叉极化转换，相对于入射光偏振正交的光束部分，其动量空间便引入了几何相位梯度。如此，便可对垂直入射的光束实现位移调控。

研究团队制备了理论设计的光子晶体，实验上直接测量到了光束通过光子晶体交叉极化转换在动量空间引入的相位梯度，进一步直接观察到了垂直入射的光束在光子晶体上的实空间位移。实验测量得到的光束位移大小和光束的束腰半径接近，切换入射光和交叉极化偏振的偏振方向，光束的位移方向也切换到相反方向。这个工作扩展了光子晶体对光束的调控维度，进一步证实了光子晶体动量空间的偏振结构可以作为一个有效的光场调控新自由度。

图2 利用光子晶体引入动量空间相位梯度以及垂直入射的光束在光子晶体发生位移示意图和动量空间相位梯度和实空间位移的直接测量结果