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Laser & Photonics Reviews:Chiral BICs |高Q值谐振和圆二色性

Laser & Photonics Reviews:Chiral BICs |高Q值谐振和圆二色性 两江科技评论
2023-02-07
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导读:近日,香港城市大学的蔡定平教授、华南师范大学的黄旭光教授和香港理工大学的余长源教授共同领导的合作团队发表文章。该工作首次指出并解决了手性BICs(chiral-BICs)研究中遇到的一个根本问题及重要



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撰稿|由课题组供稿

导读

连续域中的束缚态Bound states in the continuum, BICs)是一种存在于辐射连续谱中的非辐射状态,理论上可以完全消除辐射损耗,产生极高品质因子(Q值)的谐振。把BICs的概念和光学手性(Chirality)的研究结合,能够实现同时具备高Q值和强圆二色性(Circular dichroism, CD)的谐振。
近日,香港城市大学的蔡定平教授、华南师范大学的黄旭光教授和香港理工大学的余长源教授共同领导的合作团队在Laser & Photonics Reviews上发表题为“Chiral bound states in the continuum in plasmonic metasurfaces”的文章。该工作首次指出并解决了手性BICschiral-BICs)研究中遇到的一个根本问题及重要挑战:Q值和CD值的负关联性。研究者们利用集成共振单元的设计,在金属超构表面上有效地激励出参数空间的chiral quasi-BICs,并且实现了对Q值和CD值的独立调控,从而同时获得强CD响应和高Q值谐振。

研究背景

1. (a) 过往研究问题总结:chiral quasi-BICsQ值和CD响应随非对称参数增大呈现负相关性变化规律。参考文献:[1] Phys. Rev. Lett. 25 (2020): 093903; [2] Nat. Commun. 13(2022): 1-9; [3] Opt. Lett. 47 (2022): 505 - 508; [4] Phys. Rev. Lett. 126 (2021): 073001; [5] Science 377(2022):1215-1218(b) 本工作亮点——Q值和CD响应的相对独立性:CD响应随非对称参数的增大而提高,但谐振的Q值保持稳定。


迄今为止,关于受对称保护的BICs的研究表明,准BICsquasi-BICs)的辐射损耗的Q值随着结构非对称系数的增大而指数下降。另一方面,超构表面的强CD响应却需要微纳结构具有较大的镜面反转非对称系数。因此,在chiral-BICs的研究中普遍存在Q值和CD响应的制衡。如图1a所示,强CD响应往往伴随着chiral quasi-BICsQ值的指数衰减。这是因为CD响应的增强需要增大镜面反转非对称系数,而镜面反转非对称系数的增大会导致chiral quasi-BICsQ值降低。
因此,如何打破手性超构表面中chiral quasi-BICsCD响应与Q值之间的强负相关性,并同时获得强CD响应和高Q值谐振,成为了目前chiral-BICs研究的挑战与热点。

研究亮点

为了应对以上挑战——有效地产生chiral quasi-BIC谐振,并对其Q值和CD进行独立调控,研究人员设计了一种新颖的金属超构表面,其集成共振单元如图1b所示,由一个直立开口环和一个一维光栅墙组成。这种集成共振单元的设计,可以使得CD响应随非对称系数的增大而提高,而谐振峰的Q值保持稳定(图1b)。所设计的超构表面可通过成熟的双光子聚合激光3D打印技术和金溅射技术来加工。


2. (a) 具有强圆二色性的、高Q值的chiral quasi-BIC晶格谐振的激发。LCP/RCP:左/右旋偏振光。(b) Chiral quasi-BIC晶格谐振的电场分布(LCP激发),可以等效为两个高低不同、并且有一个夹角的电偶极子模型。P1,2表示两个电偶极矩。


如图2a所示,当开口环跟光栅墙这两个亚单元有一个35°夹角的时候,周期为3μm的金属超构表面在波长3μm附近出现尖锐的晶格谐振,并展现出强烈的圆二色性。研究人员发现,该手性晶格谐振的高Q值来源于和其参数空间中的BICs;而其强圆二色性响应,则来自垂直开口环的扭转角度θ——面内和面外径向对称性的同时破坏。该手性晶格共振模式,可等效为两个高低不同、并且有一个相对夹角的电偶极子模型(图2b)。
值得注意的是,通过采用集成共振单元(开口环+光栅墙)的超构表面设计,可以使chiral quasi-BIC谐振峰的能量吸收主要发生在光栅墙,而谐振的偏振调控主要取决于开口环的旋转角度θ。因此,改变开口环的旋转角度θ,只调节CD响应的强弱,并不影响谐振峰的Q值(图3)。

3. Chiral quasi-BICsQ值和CD值随开口环旋转角度的变化规律。

总结与展望

本研究工作设计了一种新颖的三维非对称金属超构表面,通过集成两个不同的谐振单元,并调控其相互作用,有效地激励出参数空间的chiral quasi-BICs,成功地实现了对Q值和CD的独立控制,并且在中红外波段获得了高Q值(~938)和强CD~0.67)的chiral quasi-BIC谐振。该超构表面为产生手性光学响应提供了新方案,可广泛应用于手性药物分析、手性激光产生和量子纠缠等领域中。

主要作者:


蔡定平,香港城市大学电机工程学系讲席教授,博士生导师,多年来致力于纳米光子学及光电物理领域前沿的实验与理论工作,积累了丰富的研究成果。在Science, Nature Nanotechnology, Physics Review Letters, Advanced Materials, Science Advances, Light: Science & Applications, Nature Communications, Nano Letters, Nano Energy等国际期刊发表论文共349(SCI Citation > 19,597 , SCI H-index 66; Google Scholar Citation > 25,599 , Google Scholar H-index 77)、专书(或专书节章)及会议论文共65 篇、技术报告及其它论文共38篇、国内外(美国加拿大、日本及德国专利45项(69个)。先后当选中国光学学会(COS)、美国科学促进会(AAAS)、美国物理学会(APS)、国际电子电机工程师学会(IEEE)、光学学会(Optica)、国际光电工程学会(SPIE)、电磁科学院(EMA)、日本应用物理学会(JSAP) 、和亚太人工智能学会(AAIA)的会士(Fellow)。也先后当选亚太材料科学院(APAM)院士、俄罗斯国际工程学院(IAE)院士和美国国家发明家科学院(NAI)院士。曾荣获四十多项荣誉与奖励,包括:2020年度和2018年度中国光学十大进展、2020年和2019年全球高被引科学家(Web of Science Group/ Clarivate Analytics)2018年国际光电工程学会(SPIE)墨子奖,以及多届国际学术会议最佳论文奖。迄今在国际会议作过326余次特邀报告(包含20 场全体会议和 61 场主题演讲),是光子学评论(Photonics Insights)及光:先进制造(Light: Advanced Manufacturing)的编辑,也担任12个国际期刊的编辑委员,多项国际知名期刊的文章审稿人。



黄旭光,华南师范大学信息光电子科技学院教授,博士生导师。长期从事微纳光子学、光纤通信与传感等研究,积累了丰富的研究成果,在Laser & Photonics ReviewsNanoscaleSensors & Actuators: B. ChemicalJ. Lightwave TechnologyOptics Letters等国际期刊发表论文近150篇(SCI Citation > 3000 , SCI H-index 27,单篇论文最高引用次数高达400次)。获得授权发明专利10项。迄今为止主持了国家自然科学基金项目、863项目、科技支撑项目子课题和教育部留学回国人员科研启动基金、广东省自然科学基金等项目。培养了硕博士近百人。



余长源,香港理工大学电子与资讯工程学系教授,博士生导师,美国光学学会会士(Optica Fellow)。2005年获美国南加州大学电子工程博士学位。2005年在NEC美国研究所任访问研究员。200512月加入新加坡国立大学电子与计算机工程系任教,创立光电系统研究小组,并兼任新加坡科技研究局资讯通信研究院高级研究员。期间于2007年任澳大利亚墨尔本大学访问教授。201512月加入香港理工大学任教。研究领域包括集成光电器件,光纤传感,光纤通讯系统与网络,及光电生物医疗仪器。先后指导20多名博士后和40多名博士生,主持/共同主持新加坡、香港、中国大陆、美国、澳大利亚等地科研项目50余项,总经费超过一千万美元。至今已发表论文600多篇(含100多篇邀请报告,包括美国OFC),参与编写6本学术专著,拥有多项专利。曾任新加坡资讯通信发展管理局技术顾问委员会委员,多个国际学术会议的组委会/技术委员会的主席或成员。其团队曾获8次国际会议最佳论文奖,2020年广东省技术发明奖一等奖,及2014年第三届中国创新创业大赛生物医药行业团队组冠军。

论文信息


Yuhu Tang(#), Yao Liang*(#), Jin Yao, Mu Ku Chen, Shirong Lin, Zhuo Wang, Jingcheng Zhang, Xu Guang Huang*, Changyuan Yu*, Din Ping Tsai*, “Chiral Bound States in the Continuum in Plasmonic Metasurfaces.” Laser & Photonics Reviews 2023, 2200597.


论文网址:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.202200597

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