图1 宽波段全介质二维手性超表面结构与性能
1. 导读
手性材料所带来的光学手性响应（圆二色性，CD），在偏振成像、生物医学检测、光通信、圆二色光谱等领域具有重要应用。然而天然手性材料微弱的光学手性响应，使得入射光需要足够的光程累积来产生显著的圆二色性，因此体积大、难以集成是基于天然手性材料圆二色性器件的固有缺陷。为此，研究者们引入超表面的概念，尝试用亚波长的手性结构来实现高圆二色性。尽管出现了多种类型的手性超表面，然而，在全介质二维手性超表面上同时实现宽波段的高圆二色性与高偏振消光比（PER）仍是一个挑战。
针对这一挑战，近日苏州大学王钦华教授团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种新型的全介质二维手性超表面。超表面由分裂的十字形（一阶手性结构）和梯形（二阶手性结构）硅纳米结构阵列构成，如图1(A-C)。一、二阶手性结构发生正向耦合，从而在不同手性入射光激发的多极子远场中产生宽波段的手性响应。理论结果表明，在1.39-1.61μm整个波段上，超表面在透射上可同时实现大于0.9（最高0.993）的CD和大于20 dB（最高35 dB）的PER，或在1.35-1.72μm整个波段上实现大于0.8（最高0.990）的CD和大于12 dB（最高32 dB）的PER。实验制备了超表面并进行了实验验证，实验结果与理论吻合良好，如图1(D，E)。该工作为宽波段的全介质手性超表面的设计提供了新思路，在紧凑型偏振成像与检测领域有重要的应用潜力。
2. 研究背景
圆二色性，即左、右旋圆偏振光（LCP，RCP）经过手性材料（或结构）后透（反）射率的差异。宽波段高性能的圆二色性器件在偏振成像与探测，光通信，量子光学，圆二色光谱等领域有重要的应用。相比于天然手性材料微弱的手性光学响应，由尺寸在波长量级的手性几何结构组成的手性超表面可在相同的厚度下实现手性响应数个数量级的提升，有利于器件的小型化与集成化。因此，近年来涌现了众多关于手性超表面的研究，而在宽波段上同时实现高CD与高PER正是研究者们追求的目标。
手性超表面按照几何结构可分为三维、层状式的准三维，以及二维。三维结构多为贵金属材料，其工作波段上的圆二色性（CD）大都小于0.9，且PER也小于20 dB，同时三维结构的制备也是挑战。同样的，层状式的准三维结构也面临制备工艺复杂，无法同时实现宽波段上高CD与PER的问题。二维手性超表面可分为金属型与全介质型。由于欧姆损耗，金属型的二维手性超表面的CD基本都小于0.9。近年来，全介质超表面因其模式丰富，损耗小，且制备工艺与CMOS工艺兼容等特点，受到研究者的关注。对于不同手性的入射光，全介质二维手性超表面可激发出不同的共振模式从而在透射或反射上获得高圆二色性（CD>0.9），但大部分都工作在单波长或极窄带宽，且PER也都不超过20 dB，无法满足偏振成像与探测领域对宽波段，高CD以及高PER的圆二色性器件的需求。
3. 创新研究
针对上述现状，研究人员提出了一种工作在光通信波段的宽波段全介质二维手性超表面。与常见的二维手性结构不同，所提出的超表面单元由一阶手性结构（十字形）和二阶手性结构（梯形）组成。一、二阶手性结构各自的CD特性（正负号）分别由结构参数“Δx”、“Δw”的正负决定。当“Δx”、“Δw”同号，即一、二阶手性结构的CD同号时，它们组成的整体结构会在宽波段上获得增强的圆二色性，而将“Δx”，“Δw”异号的结构组合时，则会极大地削弱整体的CD，见图2。
图2 一、二阶手性结构的耦合
接着，通过粒子群优化算法可得到在1.39-1.61 μm波段PER均大于20 dB（最高35 dB）的高消光比（HER）结构，以及在1.35-1.72 μm波段均大于12 dB的超宽带(UBB)结构。
进一步的，研究人员采用多极子展开分析了这种手性超表面在不同手性入射光下的近场模式，发现此类全介质二维手性超表面存在手性响应的截止波长，即磁偶极子（MD）的共振波长，当波长长于该截止波长时，超表面将不再表现出显著的CD，如图3。
图3 由MD共振决定的手性响应的截止波长
随后采用化学气相沉积，电子束光刻，感应耦合等离子体刻蚀等工艺完成了样品的制备，并测量了样品的CD与PER以及出射光的偏振态，实验结果与预期吻合。如图4所示为实验制备的带有“CD”图案的超表面。图案中的“CD”字母内部与外部分别由HER结构和其对应异构体（手性相反）组成，字母的线宽约为10 μm。在1.4-1.7 μm的宽波段内，LCP与RCP入射时，字母与背景在宽波段上呈现完全相反的亮暗分布，这在自旋加密领域有巨大的应用潜力。
图4 由HER结构及其对应异构体组成的超表面图案在LCP与RCP照明下的透射光场
4. 应用与展望
研究团队提出并实验验证了同时具有高圆二色性与圆偏振光比的宽波段全介质二维手性超表面。所提出的一、二阶手性结构的设计思路可拓展任意波段的二维手性超表面的设计中。另外，研究中发现由MD共振决定的手性响应的截止波长的现象同样适用于其他波段的全介质二维手性超表面。所提出的全介质二维手性超表面在光通信波段上所具有的宽波段的高CD与高PER在超紧凑偏振成像与探测系统，自旋光通信等领域有广阔的应用前景。
该研究成果以“Simultaneous broadband and high circular dichroism with two-dimensional all-dielectric chiral metasurface”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Rui Wang, Chenqian Wang, Ti Sun, Xin Hu, Chinhua Wang，其中，Xin Hu和Chinhua Wang教授为共同通讯作者。王钦华教授团队隶属于苏州大学光电科学与工程学院。
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