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学研汇 技术中心

2022-09-20

特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

研究背景

大约在20世纪之交，英国物理学家约翰·亨利·坡印廷提出，圆偏振光必须携带类似于旋转陀螺角动量的自旋角动量 (SAM)。这种SAM后来被美国物理学家理查德贝丝通过实验证实。原子物理学的后续发展表明，光还可以携带轨道角动量 (OAM)，这与光的空间结构有关，其特征是扭曲的螺旋波前和螺旋状的能量流。这种光的OAM与SAM相同，具有基于顺时针或逆时针扭曲的旋向性，从而为每个光子提供正或负OAM。光中的这两种形式的角动量，SAM和OAM，经常一起发现。此外，即使是最简单的光学系统，“手性”SAM和“扭曲”OAM也会通过自旋轨道耦合的过程相互作用。

幸运的是，旋轨道耦合的过程可以通过操纵一个组件来控制另一个组件的手性。许多潜在的应用都可以从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可以为信息编码提供一个新维度。然而，光没有手性偏好。利用被激发的原子通过扭曲产生光，要么直接产生OAM光，要么利用外部磁场调制原子，沿着磁场的方向触发SAM手性光发射。然而，这些方法往往需要复杂、低效和庞大的设备设计。

关键问题

虽然光的手性在许多应用中具有潜力，但在实际应用中仍存在以下问题：

1、缺少紧凑型集成光子光源

产生手性发射的传统方法，仅限于激发功率范围，并且无法提供完美偏振转换的高质量发射，且需要复杂、低效和庞大的设备。

2、致密光源产生手性光具有挑战

光与物质的手性相互作用很弱，通常需要使用体积较大的材料，因此从致密光源产生手性光仍然难以实现。

3、提供高纯度手性光的超紧凑型解决方案仍然难以实现

克服弱手性光物质相互作用的一种有效的方法是用“元原子”制造人造材料，这是一种可以用来构建所需的3D超材料或2D超表面的纳米结构，这些用于增强手性响应的元原子最近取得了巨大的进展，但提供高纯度手性光的超紧凑型解决方案仍然难以实现，特别是在激光应用方面。

新思路

有鉴于此，哈尔滨工业大学（深圳）宋清海教授与澳大利亚国立大学Yuri Kivshar等人利用手性准连续域束缚态（bound states in the continuum, BICs）实现了从自发辐射到激光的高纯度、高方向性与高Q值圆偏振光发射。利用内在手性和巨场增强，揭示了如何在没有任何自旋注入的情况下同时修改和控制光致发光和激光的光谱、辐射模式和自旋角动量。手性发射和激光的优异特性有望在纳米光子学和量子光学中获得多种应用。

技术方案

1、构建了共振手性超表面

作者通过氧化铟锡（ITO）涂层基板上的倾斜二氧化钛（TiO₂）条的方形晶格创建了共振手性超表面。

2、 演示了手性超表面

作者通过SEM、自制光学装置等对手性超表面进行了演示，证实了点处RCP的C点。

3、探究了超表面的手性发射

作者观察了在连续波激光二极管的激发下测量超表面的光致发光，证实了手性超表面在同时控制光谱、辐射图案和光发射的自旋角动量方面的能力。

4、开发了超紧凑手性激光

作者利用准 BIC 的近统一固有手性和场增强，通过用纳秒激光泵浦样品探索了来自共振超表面的光发射，证实了共振超表面中的激光作用。

图 一种高纯度微型手性光源

技术优势

1、构建了第一个通过其超表面设计提供可控手性的设备

作者设计使用了一种电磁状态，它位于所谓的连续体束缚态 (BIC) 内。BIC 是指某种频率的光被捕获并在周围反弹的状态，此类BIC具有许多优点，包括增强放大和手性滤波。

2、实现了99%以上的手性纯度

作者倾斜椭圆形的柱子，使它们都成一个角度。柱的旋转和前倾的组合对称性破坏使BIC的手性滤波作用与部分结合的BIC辐射的频率一致。展示了一种计算手性光的最佳倾斜角的方法，其手性纯度> 99%。

3、高纯度手性微激光器的首次演示

由于纳米柱超表面对特定频率的光产生共振，它也起到了产生激光的放大器的作用。激光更喜欢输出主要的光学模式，由此产生的左旋和右旋状态的竞争进一步提高了手性纯度，这也是高纯度手性微激光器的首次演示。

技术细节

共振手性超表面

共振手性超表面是由放置在13nm氧化铟锡（ITO）涂层基板上的倾斜二氧化钛（TiO₂）条的方形晶格创建的。TiO₂的高度和晶格尺寸分别固定在H= 180nm和a =360 nm。超表面的特征在于两个变形（不对称）参数（平面内）和（平面外）。使用180 nm聚碳酸酯 (PC) 薄膜和400 nm电子束抗蚀剂涂在 TiO₂上。结果表明，通过引入不对称参数，倾斜角，当平面外C2对称性被进一步破坏时，超表面性能可以得到改善。两个条中的场相互作用导致垂直偏移并破坏平面内和平面外对称性。然后，两个C点在动量空间变得不对称，内在手性出现在点。

图 共振手性超表面

手性超表面演示

共振超表面是通过电子束光刻、剥离和反应离子蚀刻（RIE）的组合工艺制造的。该设计使超表面独立于复杂的三维纳米结构，且可以通过一步倾斜RIE工艺实现。设计的超表面是在用180 nm未掺杂 PC (Aladdin) 和 400 nm PMMA A2层涂覆TiO₂后实验实现的。超表面的透射光谱用自制的光学装置进行表征证实了点处RCP的C点。

图 手性超表面的实验演示

超表面的光致发光     

作者用DCM 掺杂的 PC 薄膜代替未掺杂的 PC 薄膜，并在连续波激光二极管的激发下测量超表面的光致发光。通过分析超表面的荧光组成和拟合，表明发射光谱主要由LCP分量控制，RCP发射可忽略不计。来自超表面的与角度相关的光致发光的发散角比传统的光致发光窄一个数量级以上，并且与激光发射的发散角相当。上述结果证实了手性超表面在同时控制光谱、辐射图案和光发射的自旋角动量方面的能力。

图 手性发射的观察

超紧凑手性激光

准 BIC 的近统一固有手性和场增强也适用于超紧凑手性激光。通过用纳秒激光泵浦样品探索了来自共振超表面的光发射。作者探究了不同泵浦密度下的LCP 和 RCP 发射光谱，FWHM、近场图像和积分强度的显着变化证实了共振超表面中的激光作用。与自发发射相比，手性准 BIC 的激光发射具有更好的性能。

图 手性激光的观察

展望

与之前的报告相比，本工作的谐振超表面在 DOP、方向性和 Q 因子方面表现出更好的性能，这些性能在从光致发光到激光的广泛范围内保持不变。这种方法可以改进手性光源的电流设计，并促进它们在光子和量子系统中的应用。本工作对手性控制的有力证明肯定会进一步扩展到其他光自由度的研究中，并有望通过结构物质对结构光进行完全控制。

参考文献：

【1】XUDONG ZHANG, et al. Chiral emission from resonant metasurfaces. Science, 2022,377(6611):1215-1218.

DOI:10.1126/science.abq7870.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7870

【2】ANDREW FORBES. Chiral light sources get a helping hand.Science, 2022,377(6611):1152-1153.

DOI: 10.1126/science.add5065.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.add5065