浙江大学何赛灵团队联合新加坡国立大学仇成伟团队：平面结构无需三维扭曲即可实现高纯度圆偏振发光

平面型手性超表面自身并不发光，但可以通过其共振模式调控荧光辐射体（如量子点、染料分子）的辐射特性，从而实现发光调制。这些发光体的荧光会优先耦合进入超表面所支持的共振模式，并通过该模式的泄漏通道向外辐射。因此，超表面的共振模式决定了荧光的强度、方向性和偏振态等关键参数。为了实现垂直圆偏振发光，需要共振态的泄漏辐射本身是圆偏振的（即“手性共振态”）。这要求控制泄漏通道中x 与y 偏振分量的关系——它们不仅幅度相等，还需具有π/2 的相位差。这一问题的核心在于：如何有效地调控泄漏通道？

该研究团队基于时域耦合模理论（TCMT），构建了一个简明的物理模型，给出了优雅的解决方案。他们发现，如果将超表面视为一个光学系统，其中既包含共振模式（“演员”），也包含连续背景散射（“舞台”），那么这种背景会显著影响共振模式的辐射行为。传统研究多聚焦于共振本身，而他们揭示了：背景散射的各向异性会决定x 与y 偏振泄漏通道之间的相位差，唯有“各向异性连续体”才能实现所需的π/2 相位差。在此基础上，通过引入恰当的结构微扰（打破面内镜面对称性），进一步调节两通道的泄漏幅度，使其相等，从而实现圆偏振发光（图1b，1c）。

图 1. 支持圆偏振共振态的平面型手性超表面。（a）左图为具有 z 方向扭曲的传统手性超表面；右图为在 z 方向完全对称的平面型手性超表面，其上下泄漏辐射具有相反的圆偏振态。（b）通过引入微扰形成平面型手性超表面的设计流程。LCP 和 RCP 分别表示左、右圆偏振光，α和 δt为两个微扰参数。（c）图（b）中结构形貌变化对应的透射光谱演变。

在上述理论指导下，研究团队设计了能够支持圆偏振泄漏辐射的硅基超表面。1）首先，超表面支持非泄露导波模式，不向外泄漏能量，品质因子（Q）值趋于无穷。此时散射主要由背景决定，其性质可通过结构尺寸调节。2）随后，引入微扰使束缚导波模式转变为具有有限Q 值的准束缚态。该微扰主要调控 x 与y 偏振泄漏通道的幅度，通过合理设计可使二者相等，同时相位差由各向异性背景确定。

值得注意的是，若面内镜面对称性未被破坏，泄漏辐射将保持线偏振性，无法实现圆偏振发光。此外，研究团队也澄清了一个常见误解：即便平面手性超表面在透射中表现出强圆二色性（CD = 1），也并不意味着它能够支持圆偏振共振态——该结论仅对三维手性结构成立。

利用先进的纳米加工技术，团队在二氧化硅衬底上成功制备出垂直刻蚀的硅超表面（图2a）。在旋涂荧光染料并覆盖聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）以维持上下折射率对称后，他们实现了垂直圆偏振发光实验验证。结果与理论预测高度一致：向上发射右旋圆偏振光（DCP = 0.83），向下发射左旋圆偏振光（DCP = −0.9）（图2b、2c），充分验证了该机制的正确性。

图2.平面型手性超表面实现圆偏振发光。（a）所制备的硅基平面型手性超表面。（b）手性共振模式在x-z横截面上的圆偏振分量，显示向上和向下发射的自旋相反。（c）涂覆荧光染料后，超表面向上、向下垂直发射高度圆偏振的荧光。