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圖1.極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)筑與光場調(diào)控示意圖。(a)極化拓?fù)洚犝{(diào)控渦旋光場的示意圖。(b-d)穹頂狀三維結(jié)構(gòu)形變的產(chǎn)生機(jī)理與晶格畸變誘導(dǎo)撓曲電場的原理示意圖。(e)結(jié)構(gòu)形變誘導(dǎo)鐵電極化的相場模擬。

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圖2.微米尺寸極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制備與表征。(a-c)自支撐薄膜的轉(zhuǎn)移集成過程：利用生長轉(zhuǎn)移技術(shù)，通過雙層應(yīng)變弛豫形成鼓包中間態(tài)，撓曲電場誘導(dǎo)獲得極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，再平鋪至目標(biāo)基底上進(jìn)行集成。(d-e)壓電力顯微鏡（PFM）和二次諧波（SHG）表征顯示中心匯聚型極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

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圖3.基于中心匯聚型極化拓?fù)洚牭臏u旋光場調(diào)控。(a)光物質(zhì)相互作用幾何的圖示。(b)通過光學(xué)自旋-軌道相互作用產(chǎn)生的倍頻渦旋光束的實驗（第一行）和模擬（第二行）強(qiáng)度分布。(c)渦旋光場對應(yīng)拓?fù)浜傻谋碚鳌?/div>

綜上，該工作提出了一種利用三維結(jié)構(gòu)形變構(gòu)建拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)的創(chuàng)新方法，并展示了極化拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)在空間渦旋光場調(diào)控的應(yīng)用前景。利用自支撐鐵電薄膜構(gòu)筑極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于光場操控還具有以下獨特的優(yōu)勢：1）可制備超薄光子器件：自支撐鐵電薄膜可實現(xiàn)納米厚度的極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；2）可轉(zhuǎn)移集成：自支撐薄膜可以在室溫下自由轉(zhuǎn)移到包括半導(dǎo)體的任意基底上，是片上光子集成的理想選擇；3）可快速電場調(diào)制：單個鐵電極化狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)可在納秒時間內(nèi)實現(xiàn)，通過電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，有望實現(xiàn)極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及光場的超快調(diào)制；4）可實現(xiàn)全光調(diào)制：實驗中已展示熱場對極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可逆調(diào)制，有望通過激光脈沖的熱效應(yīng)實現(xiàn)全光高速渦旋光場調(diào)制；5）有豐富拓?fù)錁?gòu)型：配合構(gòu)筑方式及電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計，獲得具有不同拓?fù)浜桑�極化矢量的旋轉(zhuǎn)特性）的極化結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)具有不同軌道角動量的光場調(diào)制。該研究初步展示了極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在渦旋光場調(diào)控中的應(yīng)用潛力，其進(jìn)一步拓展有望推動下一代高速、高容量光通信技術(shù)的發(fā)展。

南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士后孫浩瀅、博士后陳鵬程、博士生茆偉以及北京理工大學(xué)博士生郭常青為該論文的共同第一作者，張勇教授與聶越峰教授為論文的通訊作者。北京理工大學(xué)黃厚兵教授以及華威大學(xué)王鵬教授為本工作提供了重要的理論與電鏡支持。該工作也得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、教育部“長江學(xué)者獎勵計劃”以及博士后創(chuàng)新人才支持計劃等項目的資助。此外，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心以及江蘇省功能材料設(shè)計原理與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室及江蘇省物理科學(xué)研究中心對該研究也給予了重要支持。

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