传统超表面与光子晶体研究长期受困于“黑盒式”表征的盲区：超表面设计依赖正向仿真与试错，缺乏对动量空间相位分布的实时诊断，导致效率低、色散补偿失败等异常难以归因；而光子晶体BIC研究则陷入“理论Q值无限、实测Q值离散”的参数失控困境，无法直观验证非局域拓扑特性的鲁棒性。复享光学的ARMS显微角分辨光谱系统从根本上解决了这一表征难题，作为全球唯一一款基于FT-ARS技术且经过严格工程化开发的显微角分辨光谱产品，ARMS集角度（k）、空间（x）、光谱（ω）三重分辨能力于一体，凭借超高角度分辨率（最高优于0.1°）及400~1650nm的超宽光谱探测能力，通过同步解析实空间结构与动量空间色散，将不可见的相位误差与拓扑指纹转化为可量化的实验数据，成为打破“设计-验证”割裂、解决局域与非局域功能兼容性争议的核心工具。

01 研究背景

传统光子器件中，超表面与光子晶体分别占据局域调控与非局域共振两个相对独立的赛道：超表面依托空间渐变的单元结构，可实现位置依赖的灵活波前整形，却难以支持高Q值的集体共振；光子晶体则凭借严格周期性结构衍生出连续体束缚态（BICs）等非局域拓扑响应，具备窄线宽、强角依赖的优异特性，但其空间不变性严重限制了设计自由度。长期以来，二者因调控逻辑天然互斥——前者依赖实空间局域扰动，后者依赖动量空间周期一致性，始终难以在同一平面平台上兼容，导致平面光学的参数空间与功能边界被大幅压缩，无法同时实现波前操控与稳定非局域共振，也阻碍了高阶拓扑光子器件、多功能集成光子系统的发展。这一割裂状态使得现有技术难以兼顾局域调控的自由度与非局域共振的稳定性，成为平面光学向更复杂功能演进的核心瓶颈。

02 研究内容

针对上现有技术难以兼顾局域调控的自由度与非局域共振的稳定性的困境，本文提出一种局域-非局域协同的多功能光子晶体新架构：在保持光子晶体高折射率纳米柱主体结构不变的前提下，仅在柱内嵌入可独立调制的低折射率“元凹槽”。这种精巧设计让局域可调的凹槽通过光谱零点的拓扑环绕实现高效2π相位覆盖，同时几乎不扰动光子晶体原本受拓扑保护的连续体束缚态（BICs）模式，在单一平面器件中打通了超表面的局域波前调控能力与光子晶体的非局域高Q共振特性，为平面光学开辟了一条“鱼与熊掌兼得”的全新技术路径。如图一，超表面利用局部自由度，通过使用空间变化的超原子来实现位置依赖的波前控制；相比之下，光子晶体（PhC）利用非局部自由度，其响应来源于扩展的空间区域，从而实现角度依赖行为和高 Q 值谐振；将局部超表面功能嵌入到周期性光子晶体（PhC）晶格中，同时保持不变的高折射率柱体，并改变内部低折射率凹槽。这种结构不仅支持具有强角度依赖性的非辐射束缚态（BICs），还创造了奇异的拓扑结构，使得元全息图能够以任意方式编码相位分布。

图1. 局部-非局部光子晶体原理：统一波前整形与连续谱中的束缚态

文中对局域和非局域控制进行了模拟仿真，并制备了多功能光子晶体，对其进行表征。图2a展示了具有360纳米周期的单元格，该单元格由一个厚度为600纳米、边长为250纳米的TiO2纳米柱组成，并包含一个嵌入的缺口。缺口的宽度w可以用于相位调制。对于光子晶体本征模，计算的能带结构显示出现了一个BIC共振（图2b）。非局部BIC本征模式的场分布，显示出强烈的受限制分布，暗示在中心场最小处对内部缺口扰动具有抗性（图2c）。通过标准电子束光刻工艺制造样品。由于局部-非局部光子晶体（PhC）是平面器件，不需要复杂的三维制造，缺口和PhC可以同时蚀刻。如图3a所示。在左下角的灰色区域，由于分辨率限制，设计的缺口无法嵌入，导致仅有纯柱体。在图3e中，对样品进行放大，系统地检查了嵌入缺口在PhC中的分布和结构完整性。通过优化缺口几何形状和整体设计参数，实现了缺口和纳米柱的高均匀性精确嵌入。这种制造策略使得多功能PhC的稳定实现成为可能，同时充分利用缺口引起的拓扑特性，并保持与标准光刻分辨率和制造工艺的兼容性。

图2. 局域和非局域控制的模拟结果及多功能光子晶体制备及表征

如图3从功能验证与物理机制两方面完成了对器件的实验表征：在局域波前调控端，两个分别编码genus 1与genus 2图像的样品在550nm圆偏振光照下均重建出高对比度全息图案，且左右旋圆偏振响应一致，即使样品2刻意采用更小凹槽长度，奇异性驱动的2π相位覆盖仍保持稳定，证实了凹槽拓扑相位的鲁棒性；在非局域共振端，角分辨光谱测量显示，严格周期的对照样品在Γ点呈现BIC特有的零线宽特征与强角度依赖色散，而引入空间渐变凹槽的样品1仍保留线宽消失现象，仅缩短凹槽长度的样品2出现共振红移却未破坏高Q特性，直观证明局域凹槽扰动几乎不影响光子晶体主体的非局域拓扑保护，最终实证了单一器件中局域波前整形与非局域BIC共振可独立共存、互不干扰的核心创新。

图3. 多功能光子晶体中局部和非局部控制的实验表征

03 总结

本研究突破了超表面局域调控与光子晶体非局域共振长期割裂的瓶颈。提出“元凹槽嵌入光子晶体”架构：在保持TiO₂纳米柱周期结构不变的前提下，在纳米柱内引入可调凹槽，利用光谱零点的拓扑环绕实现0–2π相位覆盖以完成局域波前整形；同时凹槽位于BIC场强极小值处，几乎不扰动主体的高Q非局域共振。使用复享光学的显微角分辨光谱仪，凭借0.5°的角度分辨率与1.5nm的光谱分辨率，系统精确扫描不同波矢下的响应，不仅证实严格周期结构的Γ点存在线宽为零的完美BIC及强角度依赖色散，更直接观测到：即便引入空间渐变凹槽破坏平移对称性，样品仍保留线宽消失特征，仅几何微调引起共振峰位移而未摧毁拓扑保护，这一测量结果从动量空间层面铁证了局域与非局域功能的互不干扰。

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参考文献：

清华大学深圳国际研究生院宋清华教授课题组和新加坡国立大学仇成伟教授课题组等提出一种局域-非局域协同的多功能光子晶体新架构，突破了超表面局域调控与光子晶体非局域共振长期割裂的瓶颈。并以 “Local-nonlocal assisted multifunctional photonic crystals.”为题发表于Light: Science & Applications。

[1] Lv et al. Local-nonlocal assisted multifunctional photonic crystals. Light: Science & Applications (2026) 15:243. Doi:10.1038/s41377-026-02308-3.