LPR|深圳先進(jìn)院實(shí)現(xiàn)周期誘導(dǎo)的高品質(zhì)因子手性超表面
手性(Chirality)是自然物體的基本性質(zhì)之一,當(dāng)物體無(wú)法通過旋轉(zhuǎn)、平移等操作與其鏡像體相重合時(shí),該物體就
具有手性。許多生理現(xiàn)象的產(chǎn)生都源于分子手性的精確識(shí)別與嚴(yán)格匹配,因此手性光譜檢測(cè)在制藥、食品監(jiān)測(cè)、疾病檢測(cè)等工業(yè)生產(chǎn)和生物醫(yī)學(xué)方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值。天然材料通常由于其原子特征尺寸與光波長(zhǎng)之間的巨大失配而表現(xiàn)出非常微弱的手性,極大地限制了其應(yīng)用。在包括手性光生化傳感、圓偏振光輻射等眾多的手性光學(xué)應(yīng)用中,高Q值的強(qiáng)手性響應(yīng)對(duì)于其器件性能尤為重要。
近年來(lái),科學(xué)家們利用了連續(xù)域束縛態(tài),即嵌入在輻射連續(xù)譜中的局域態(tài),通過打破面內(nèi)或者面外對(duì)稱性在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了Q值分別高達(dá)1000和2000以上的手性準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài),CD值接近1,這些成果使得準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)成為了實(shí)現(xiàn)高Q值手性超表面的一種重要手段。然而,一方面,手性準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)對(duì)實(shí)驗(yàn)加工要求苛刻,微小的加工誤差將會(huì)導(dǎo)致Q值或CD快速降低,特別是后者為了獲得破紀(jì)錄的Q值,采用了一種更高難度的加工手段-微小傾斜角度的梯形孔來(lái)打破面外對(duì)稱性,這些苛刻的加工條件限制了高Q值強(qiáng)手性超表面的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。另一方面,強(qiáng)手性要求結(jié)構(gòu)具有較大的不對(duì)稱性,高Q值準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)要求結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性盡可能小,這種內(nèi)在的矛盾是設(shè)計(jì)高Q值強(qiáng)手性超表面所面臨的一大難題。
10月16日,國(guó)際知名光學(xué)期刊Laser & Photonics Reviews(《激光與光子學(xué)評(píng)論》,中科院一區(qū),影響因子:11.0)正式發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所李光元團(tuán)隊(duì)的最新研究成果High-Q and Strong Chiroptical Responses in Planar Metasurfaces Empowered by Mie Surface Lattice Resonances。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),在表面晶格共振模式中,利用x和y方向的不等周期可以誘導(dǎo)產(chǎn)生強(qiáng)手性,同時(shí)保持非常高的Q值,并在實(shí)驗(yàn)中獲得了Q值高達(dá)1220、圓二色值達(dá)到0.37的手性表面晶格模式。這打破了手性表面晶格共振的紀(jì)錄,實(shí)驗(yàn)Q值數(shù)倍于于基于準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)的本征平面手性,結(jié)合表面晶格共振的場(chǎng)增強(qiáng)特性,有望推動(dòng)手性超表面在手性傳感、圓偏光產(chǎn)生和檢測(cè)、光場(chǎng)調(diào)控等領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。
本文中,作者研究了在保持納米結(jié)構(gòu)鏡面對(duì)稱的前提下,通過固定y方向周期Py,改變x方向周期Px,來(lái)打破了單元整體的鏡面對(duì)稱,從而誘導(dǎo)出平面手性。仿真結(jié)果表明,波長(zhǎng)為1.44微米附近的表面晶格共振模式通過不等周期誘導(dǎo)出了強(qiáng)手性,仿真Q值達(dá)到1700,圓二色值達(dá)到0.86。作者發(fā)現(xiàn),這種手性模式的瑞利衍射波長(zhǎng)
,這與線偏振模式的瑞利波長(zhǎng)有區(qū)別。
本研究采用常規(guī)的微納加工工藝,制備了一系列不同周期、高度為300納米的等臂長(zhǎng)“L”字形硅柱,實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合,波長(zhǎng)1.44微米附近的窄峰通過不等周期誘導(dǎo)產(chǎn)生了手性。當(dāng)Px=Py時(shí),透射譜沒有手性,當(dāng)Px=/Py時(shí),透射譜具有明顯的手性,最大圓二色值達(dá)到0.37,此時(shí)Q值高達(dá)1220。研究發(fā)現(xiàn),Px>Py和Px<Py時(shí)圓二色值的正負(fù)發(fā)生了反轉(zhuǎn),這意味著利用周期可以實(shí)現(xiàn)圓二色性的調(diào)控。
研究人員進(jìn)一步研究了等周期時(shí)該結(jié)構(gòu)在斜入射下的外在手性,仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)斜入射角度為0.5 時(shí),波長(zhǎng)為1.35微米附近的窄峰模式具有更強(qiáng)的手性,其圓二色值為0.7,同時(shí)Q值達(dá)到872,此時(shí)瑞利衍射波長(zhǎng)
,如圖3(a)所示。
該研究中,深圳先進(jìn)院集成所副研究員李光元為論文通訊作者,助理研究員羅小青為論文第一作者,深圳先進(jìn)院為該研究第一單位。本研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目面上項(xiàng)目和深圳市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目的資助,以及深圳市優(yōu)峰通信技術(shù)有限公司的幫助。


圖2. a) 超表面的掃描電子顯微鏡圖。b) 圓偏振光的透射譜的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。c) 圓二色譜的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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