LPR|深圳先進院實現(xiàn)周期誘導的高品質因子手性超表面
手性(Chirality)是自然物體的基本性質之一,當物體無法通過旋轉、平移等操作與其鏡像體相重合時,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別與嚴格匹配,因此手性光譜檢測在制藥、食品監(jiān)測、疾病檢測等工業(yè)生產(chǎn)和生物醫(yī)學方面有著重要的應用價值。天然材料通常由于其原子特征尺寸與光波長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應用中,高Q值的強手性響應對于其器件性能尤為重要。
近年來,科學家們利用了連續(xù)域束縛態(tài),即嵌入在輻射連續(xù)譜中的局域態(tài),通過打破面內或者面外對稱性在實驗上實現(xiàn)了Q值分別高達1000和2000以上的手性準連續(xù)域束縛態(tài),CD值接近1,這些成果使得準連續(xù)域束縛態(tài)成為了實現(xiàn)高Q值手性超表面的一種重要手段。然而,一方面,手性準連續(xù)域束縛態(tài)對實驗加工要求苛刻,微小的加工誤差將會導致Q值或CD快速降低,特別是后者為了獲得破紀錄的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打破面外對稱性,這些苛刻的加工條件限制了高Q值強手性超表面的實驗實現(xiàn)。另一方面,強手性要求結構具有較大的不對稱性,高Q值準連續(xù)域束縛態(tài)要求結構的不對稱性盡可能小,這種內在的矛盾是設計高Q值強手性超表面所面臨的一大難題。
10月16日,國際知名光學期刊Laser & Photonics Reviews(《激光與光子學評論》,中科院一區(qū),影響因子:11.0)正式發(fā)表了中國科學院深圳先進技術研究院集成所李光元團隊的最新研究成果High-Q and Strong Chiroptical Responses in Planar Metasurfaces Empowered by Mie Surface Lattice Resonances。研究團隊發(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產(chǎn)生強手性,同時保持非常高的Q值,并在實驗中獲得了Q值高達1220、圓二色值達到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錄,實驗Q值數(shù)倍于于基于準連續(xù)域束縛態(tài)的本征平面手性,結合表面晶格共振的場增強特性,有望推動手性超表面在手性傳感、圓偏光產(chǎn)生和檢測、光場調控等領域的應用發(fā)展。
本文中,作者研究了在保持納米結構鏡面對稱的前提下,通過固定y方向周期Py,改變x方向周期Px,來打破了單元整體的鏡面對稱,從而誘導出平面手性。仿真結果表明,波長為1.44微米附近的表面晶格共振模式通過不等周期誘導出了強手性,仿真Q值達到1700,圓二色值達到0.86。作者發(fā)現(xiàn),這種手性模式的瑞利衍射波長
,這與線偏振模式的瑞利波長有區(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“L”字形硅柱,實驗測量結果與仿真結果非常吻合,波長1.44微米附近的窄峰通過不等周期誘導產(chǎn)生了手性。當Px=Py時,透射譜沒有手性,當Px=/Py時,透射譜具有明顯的手性,最大圓二色值達到0.37,此時Q值高達1220。研究發(fā)現(xiàn),Px>Py和Px<Py時圓二色值的正負發(fā)生了反轉,這意味著利用周期可以實現(xiàn)圓二色性的調控。
研究人員進一步研究了等周期時該結構在斜入射下的外在手性,仿真與實驗結果表明,當斜入射角度為0.5 時,波長為1.35微米附近的窄峰模式具有更強的手性,其圓二色值為0.7,同時Q值達到872,此時瑞利衍射波長
,如圖3(a)所示。
該研究中,深圳先進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,深圳先進院為該研究第一單位。本研究工作得到了國家自然科學基金面上項目、廣東省自然科學基金項目面上項目和深圳市基礎研究重點項目的資助,以及深圳市優(yōu)峰通信技術有限公司的幫助。


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驗結果。c) 圓二色譜的仿真與實驗結果。

附件下載: