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原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
編輯丨風(fēng)云
研究背景
大約在20世紀(jì)之交，英國物理學(xué)家約翰·亨利·坡印廷提出，圓偏振光必須攜帶類似于旋轉(zhuǎn)陀螺角動(dòng)量的自旋角動(dòng)量 (SAM)。這種SAM后來被美國物理學(xué)家理查德貝絲通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)。原子物理學(xué)的后續(xù)發(fā)展表明，光還可以攜帶軌道角動(dòng)量 (OAM)，這與光的空間結(jié)構(gòu)有關(guān)，其特征是扭曲的螺旋波前和螺旋狀的能量流。這種光的OAM與SAM相同，具有基于順時(shí)針或逆時(shí)針扭曲的旋向性，從而為每個(gè)光子提供正或負(fù)OAM。光中的這兩種形式的角動(dòng)量，SAM和OAM，經(jīng)常一起發(fā)現(xiàn)。此外，即使是最簡單的光學(xué)系統(tǒng)，“手性”SAM和“扭曲”O(jiān)AM也會(huì)通過自旋軌道耦合的過程相互作用。
幸運(yùn)的是，旋軌道耦合的過程可以通過操縱一個(gè)組件來控制另一個(gè)組件的手性。許多潛在的應(yīng)用都可以從控制手性和扭曲光的手性的能力中受益。例如，在光通信中，OAM可以為信息編碼提供一個(gè)新維度。然而，光沒有手性偏好。利用被激發(fā)的原子通過扭曲產(chǎn)生光，要么直接產(chǎn)生OAM光，要么利用外部磁場調(diào)制原子，沿著磁場的方向觸發(fā)SAM手性光發(fā)射。然而，這些方法往往需要復(fù)雜、低效和龐大的設(shè)備設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵問題
雖然光的手性在許多應(yīng)用中具有潛力，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在以下問題：
1、缺少緊湊型集成光子光源
產(chǎn)生手性發(fā)射的傳統(tǒng)方法，僅限于激發(fā)功率范圍，并且無法提供完美偏振轉(zhuǎn)換的高質(zhì)量發(fā)射，且需要復(fù)雜、低效和龐大的設(shè)備。
2、致密光源產(chǎn)生手性光具有挑戰(zhàn)
光與物質(zhì)的手性相互作用很弱，通常需要使用體積較大的材料，因此從致密光源產(chǎn)生手性光仍然難以實(shí)現(xiàn)。
3、提供高純度手性光的超緊湊型解決方案仍然難以實(shí)現(xiàn)
克服弱手性光物質(zhì)相互作用的一種有效的方法是用“元原子”制造人造材料，這是一種可以用來構(gòu)建所需的3D超材料或2D超表面的納米結(jié)構(gòu)，這些用于增強(qiáng)手性響應(yīng)的元原子最近取得了巨大的進(jìn)展，但提供高純度手性光的超緊湊型解決方案仍然難以實(shí)現(xiàn)，特別是在激光應(yīng)用方面。
新思路
有鑒于此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）宋清海教授與澳大利亞國立大學(xué)Yuri Kivshar等人利用手性準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)（bound states in the continuum, BICs）實(shí)現(xiàn)了從自發(fā)輻射到激光的高純度、高方向性與高Q值圓偏振光發(fā)射。利用內(nèi)在手性和巨場增強(qiáng)，揭示了如何在沒有任何自旋注入的情況下同時(shí)修改和控制光致發(fā)光和激光的光譜、輻射模式和自旋角動(dòng)量。手性發(fā)射和激光的優(yōu)異特性有望在納米光子學(xué)和量子光學(xué)中獲得多種應(yīng)用。
技術(shù)方案
1、構(gòu)建了共振手性超表面
作者通過氧化銦錫（ITO）涂層基板上的傾斜二氧化鈦（TiO2）條的方形晶格創(chuàng)建了共振手性超表面。
2、 演示了手性超表面
作者通過SEM、自制光學(xué)裝置等對(duì)手性超表面進(jìn)行了演示，證實(shí)了?點(diǎn)處RCP的C點(diǎn)。
3、探究了超表面的手性發(fā)射
作者觀察了在連續(xù)波激光二極管的激發(fā)下測量超表面的光致發(fā)光，證實(shí)了手性超表面在同時(shí)控制光譜、輻射圖案和光發(fā)射的自旋角動(dòng)量方面的能力。
4、開發(fā)了超緊湊手性激光
作者利用準(zhǔn) BIC 的近統(tǒng)一固有手性和場增強(qiáng)，通過用納秒激光泵浦樣品探索了來自共振超表面的光發(fā)射，證實(shí)了共振超表面中的激光作用。
圖 一種高純度微型手性光源
技術(shù)優(yōu)勢
1、構(gòu)建了第一個(gè)通過其超表面設(shè)計(jì)提供可控手性的設(shè)備
作者設(shè)計(jì)使用了一種電磁狀態(tài)，它位于所謂的連續(xù)體束縛態(tài) (BIC) 內(nèi)。BIC 是指某種頻率的光被捕獲并在周圍反彈的狀態(tài)，此類BIC具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括增強(qiáng)放大和手性濾波。
2、實(shí)現(xiàn)了99%以上的手性純度
作者傾斜橢圓形的柱子，使它們都成一個(gè)角度。柱的旋轉(zhuǎn)和前傾的組合對(duì)稱性破壞使BIC的手性濾波作用與部分結(jié)合的BIC輻射的頻率一致。展示了一種計(jì)算手性光的最佳傾斜角的方法，其手性純度> 99%。
3、高純度手性微激光器的首次演示
由于納米柱超表面對(duì)特定頻率的光產(chǎn)生共振，它也起到了產(chǎn)生激光的放大器的作用。激光更喜歡輸出主要的光學(xué)模式，由此產(chǎn)生的左旋和右旋狀態(tài)的競爭進(jìn)一步提高了手性純度，這也是高純度手性微激光器的首次演示。
技術(shù)細(xì)節(jié)
共振手性超表面
共振手性超表面是由放置在13nm氧化銦錫（ITO）涂層基板上的傾斜二氧化鈦（TiO2）條的方形晶格創(chuàng)建的。TiO2的高度和晶格尺寸分別固定在H= 180nm和a =360 nm。超表面的特征在于兩個(gè)變形（不對(duì)稱）參數(shù)?（平面內(nèi)）和?（平面外）。使用180 nm聚碳酸酯 (PC) 薄膜和400 nm電子束抗蝕劑涂在 TiO2上。結(jié)果表明，通過引入不對(duì)稱參數(shù)，傾斜角?，當(dāng)平面外C2對(duì)稱性被進(jìn)一步破壞時(shí)，超表面性能可以得到改善。兩個(gè)條中的場相互作用導(dǎo)致垂直偏移并破壞平面內(nèi)和平面外對(duì)稱性。然后，兩個(gè)C點(diǎn)在動(dòng)量空間變得不對(duì)稱，內(nèi)在手性出現(xiàn)在?點(diǎn)。
圖 共振手性超表面
手性超表面演示
共振超表面是通過電子束光刻、剝離和反應(yīng)離子蝕刻（RIE）的組合工藝制造的。該設(shè)計(jì)使超表面獨(dú)立于復(fù)雜的三維納米結(jié)構(gòu)，且可以通過一步傾斜RIE工藝實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)的超表面是在用180 nm未摻雜 PC (Aladdin) 和 400 nm PMMA A2層涂覆TiO2后實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的。超表面的透射光譜用自制的光學(xué)裝置進(jìn)行表征證實(shí)了?點(diǎn)處RCP的C點(diǎn)。
圖 手性超表面的實(shí)驗(yàn)演示
超表面的光致發(fā)光
作者用DCM 摻雜的 PC 薄膜代替未摻雜的 PC 薄膜，并在連續(xù)波激光二極管的激發(fā)下測量超表面的光致發(fā)光。通過分析超表面的熒光組成和擬合，表明發(fā)射光譜主要由LCP分量控制，RCP發(fā)射可忽略不計(jì)。來自超表面的與角度相關(guān)的光致發(fā)光的發(fā)散角比傳統(tǒng)的光致發(fā)光窄一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，并且與激光發(fā)射的發(fā)散角相當(dāng)。上述結(jié)果證實(shí)了手性超表面在同時(shí)控制光譜、輻射圖案和光發(fā)射的自旋角動(dòng)量方面的能力。
圖 手性發(fā)射的觀察
超緊湊手性激光
準(zhǔn) BIC 的近統(tǒng)一固有手性和場增強(qiáng)也適用于超緊湊手性激光。通過用納秒激光泵浦樣品探索了來自共振超表面的光發(fā)射。作者探究了不同泵浦密度下的LCP 和 RCP 發(fā)射光譜，F(xiàn)WHM、近場圖像和積分強(qiáng)度的顯著變化證實(shí)了共振超表面中的激光作用。與自發(fā)發(fā)射相比，手性準(zhǔn) BIC 的激光發(fā)射具有更好的性能。
圖 手性激光的觀察
展望
與之前的報(bào)告相比，本工作的諧振超表面在 DOP、方向性和 Q 因子方面表現(xiàn)出更好的性能，這些性能在從光致發(fā)光到激光的廣泛范圍內(nèi)保持不變。這種方法可以改進(jìn)手性光源的電流設(shè)計(jì)，并促進(jìn)它們?cè)诠庾雍土孔酉到y(tǒng)中的應(yīng)用。本工作對(duì)手性控制的有力證明肯定會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展到其他光自由度的研究中，并有望通過結(jié)構(gòu)物質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)光進(jìn)行完全控制。
參考文獻(xiàn)：
【1】XUDONG ZHANG, et al. Chiral emission from resonant metasurfaces. Science, 2022,377(6611):1215-1218.
DOI:10.1126/science.abq7870.
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【2】ANDREW FORBES. Chiral light sources get a helping hand.Science, 2022,377(6611):1152-1153.
DOI: 10.1126/science.add5065.
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