导读

近期，南开大学齐继伟、孙骞、许京军研究团队开发出了一种新的方法，能够将非厄米系统调整至接近奇异点的状态，从而在三维手性非厄米系统中实现了非对称偏振切换和全偏振器功能，打破了传统非厄米系统实现上述功能必须依赖参数环绕过程的限制。这一突破为超灵敏的手性测量和偏振操控开辟了道路。该成果以“Non-Hermitian systems based on 3D chirality enabled asymmetrical polarization switching and omni-polarizer action at an EP”为题发表于Light: Science & Applications。南开大学齐继伟副教授、孙骞教授和许京军教授为本论文的共同通讯作者。南开大学博士研究生符显辉、胡浩和张珈维为本论文的共同第一作者。

近年来，利用非厄米系统（尤其是环绕奇异点的动态演化过程）实现非对称模式/偏振态切换与全偏振器功能，已成为光学与光子学领域的前沿热点。此类偏振器具有革命性潜力：无论输入偏振态如何，其正向传播输出固定偏振态，反向传播则输出其正交态，显著区别于传统器件。然而，传统的实现方法需要在非厄米参数空间中进行缓慢的环绕过程，这使得非厄米系统变得更加复杂，并引入了诸如大路径损耗和低效率等瓶颈问题。

为克服动态环绕的局限性，一个极具吸引力的方向是直接利用奇异点(exceptional points，EPs) 的本征态特性。在奇异点处，系统的哈密顿量的本征值和本征态发生简并，任何入射偏振态均向此简并态演化。这为静态（无需参数调制）实现上述功能提供了可能。此外，如何在实验中调节非厄米系统至近奇异点也是当前一个极大的挑战，这一领域的缺失阻碍了非厄米系统性质的实验观测和实际应用。

因此，为解决上述问题，南开大学齐继伟、孙骞、许京军教授团队结合奇异点的特有性质以及三维手性光学系统在正、反向传播时呈现的不同琼斯矩阵，在奇异点处利用三维手性材料实现了非对称偏振态切换与全偏振器作用，而无需环绕过程。

为了进一步证实该理论，作者团队构建了一个简单的自由空间三维手性非厄米系统 (图1a)，并提出了一种构造奇异点的实验方案，在三维手性非厄米光学系统中实现了静态EP的精准构建与功能验证，突破了传统动态环绕奇异点的技术局限。团队利用斜入射外手性超表面提供强三维手性与线二向色性，结合可调二向色性材料 (光轴角，损耗系数) 与巴比涅补偿器 (光轴角，双折射系数)，构建了手性非厄米复合光学系统，并通过建立以琼斯矩阵构建的三维判据参数空间，进行多参数循环优化，迭代调节四组物理参数将系统从远离奇异点调节到近奇异点处（图1b）。

图1：三维手性非厄米系统的原理：(a) 在奇异点处实现的三维手性非厄米系统所得到的全偏振器的示意图；(b) 开发了一种方法，用于将非厄米系统调整到接近奇异点处。在 (b) 中，黄色五角星代表经过多次调整后实验所获得的最终三维坐标点。红色球表示通过模拟计算得到的多个三维坐标点，而箭头则说明通过调整四个参数，复合系统从远离奇异点的状态到接近奇异点的状态的演变过程

因此，在近奇异点处的实验复合系统中，几种具有代表性的输入偏振态的动态演化在正向和反向传播过程中得以直接观测，并且实现了全偏振器的功能，理论计算结果和实验结果吻合很好（图2a-d）。

图2：三维手性非厄米系统在近奇异点处透射光偏振态的演化：(a) 和 (b) 中的庞加莱球展示了在奇异点处，当几个被选定的输入态分别从正向和反向传播时通过所提出的三维手性非厄米系统时的计算偏振演化行为。(c) 和 (d) 中的庞加莱球分别描述了在 1550 nm波长下，几个被选定的倾斜入射到外在手性超表面的输入偏振态在正向和反向传播时的实验偏振演化行为

总结与展望

该工作开发了一种简单且具有普适实用性的方法，能够将非厄米系统调整到接近奇异点的状态，从而在三维手性非厄米系统中实验实现了全偏振器的功能。这一突破为直接基于三维手性材料研究非厄米系统铺平了道路，并为各种三维手性非厄米光学应用的发展提供了潜力，例如高灵敏度手性测量和偏振调控。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01960-5