摘要
关键词
- 手性发光（Chiral Emission）
- 共振超表面（Resonant Metasurfaces）
- 光子自旋角动量（Spin Angular Momentum of Photons）
- 光束极化控制（Polarization Control of Beams）
- 准束缚态（Quasi-Bound States in the Continuum, Quasi-BICs）
- 纳米光子学（Nanophotonics）
研究背景
在现代光学中，高效操控光发射的偏振状态是一个重要研究方向。尽管手性材料和光学微腔在手性光发射领域取得了一定进展，但传统方法因存在宽带发射、低偏振度及发光方向不受控等缺陷，限制了其应用潜力。近年来，基于光学束缚态的超表面设计在提高光束方向性和场增强方面表现出优异性能。然而，如何利用这种设计实现高效的手性光发射，并解决传统方法中能量损耗严重的问题，是本领域的核心挑战。
创新点
- 利用手性准束缚态实现高效圆偏振光发射。
- 展示了一种基于单向耦合的无需自旋注入的手性光源。
- 通过控制结构参数，显著提高了发光的偏振度和方向性。
- 成功实现了具有高品质因子（Q-factor）的手性激光发射。
研究内容
本研究基于具有内在手性结构的共振超表面，通过设计准束缚态的光场分布，实现了光的手性发射。超表面由倾斜的二氧化钛（TiO₂）杆组成，其几何参数（例如倾角 \( \alpha \) 和变形参数 \( q \)）决定了结构的手性响应特性。实验中通过电子束光刻和离子刻蚀技术制备了超表面，扫描电镜图像验证了设计的精确性。结果显示，准束缚态的高场增强特性显著提升了圆偏振光的发射效率。在实验验证部分，通过光致发光测量发现，超表面在光谱峰值处的偏振度接近 1。进一步的角度依赖实验表明，手性超表面能够精确控制光的辐射方向和自旋角动量。此外，在高激光泵浦下，手性激光的发射显示出显著的阈值行为和单模输出特性。
(A) 纳米结构的示意图，展示基于方形晶格的倾斜二氧化钛 (TiO\(_2\)) 材料条，位于13 nm氧化铟锡 (ITO) 涂层基底之上。橙色区域表示掺杂DCM的聚碳酸酯 (PC) 薄膜。 (B–D) 单元结构的顶视图与侧视图，分别对应不同的变形参数 \(q = 0^\circ, \alpha = 0^\circ\) (B)，\(q = 2.5^\circ, \alpha = 0^\circ\) (C)，以及 \(q = 2.5^\circ, \alpha = 8.5^\circ\) (D)。 (底部) 对应的偏振矢量场方向。TiO\(_2\) 条的长度 \(L = 200 \, \text{nm}\)，宽度 \(W = 80 \, \text{nm}\)。
(A) 样品的顶视图扫描电子显微镜 (SEM) 图像。比例尺：1 \(\mu m\)。 (B, C) 分别为高分辨率的顶视图和侧视图SEM图像。比例尺：200 \(\text{nm}\)。 (D) 垂直方向上左旋圆偏振光 (LCP) 和右旋圆偏振光 (RCP) 的透射光谱。 (E, F) 角度相关的LCP和RCP透射光谱，箭头标注了C点的位置。变形参数：\(\alpha = 8.5^\circ, q = 2.5^\circ\)。
(A) 垂直方向上LCP (顶部) 和RCP (底部) 发光的光谱，拟合曲线以不同颜色显示。阴影区域为目标模式。 (B) 拟合的LCP分量，显示设计模式的影响。原始数据 (十字和圆点) 显示了邻近模式的干扰。 (C, D) 样品的LCP和RCP角度相关的发光光谱。 (E) 光谱拟合后的角度相关偏振度 (DOP)。泵浦功率密度固定为12 W/cm\(^2\)。
(A) 在垂直方向上测得的LCP (实线) 和RCP (虚线) 发光光谱，泵浦密度分别为16.5 mJ/cm\(^2\) (底部) 和58.9 mJ/cm\(^2\) (顶部)。 (B) LCP (圆点) 和RCP (空方块) 的输出强度随泵浦密度的变化关系。插图分别为阈值前后近场光学图像，白圈和方框表示泵浦激光束和样品边界。 (C) LCP发光的绝对偏振度 (圆点)、拟合DOP (交叉点) 和FWHM (方块) 随激发功率密度的变化关系。 (D) 手性微激光器的远场角强度分布图。
结论与展望
基于共振手性超表面，本研究实现了无需自旋注入的高效圆偏振光发射及激光发射。该方法通过手性准束缚态的设计，克服了传统手性光源在方向性及效率上的不足。未来的研究方向包括进一步优化超表面的设计参数及探索其在量子光学通信、非线性光学和生物成像中的应用潜力。
论文直达
原文标题：Chiral emission from resonant metasurfaces
原文卷期号：Science 2022, 377, 1215–1218
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