哈工大全媒體（張旭東 文/圖）近日，我校深圳校區(qū)宋清海教授團(tuán)隊(duì)在高純度超集成手性光源領(lǐng)域取得重要突破，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。9月9日，研究成果以《諧振超表面手性輻射》（Chiral emission from resonant metasurfaces）為題發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。

超集成的圓偏振光源是經(jīng)典光學(xué)與量子光學(xué)信息處理的重要組成部分。這一領(lǐng)域的發(fā)展主要依賴于手性材料與手性光學(xué)腔的進(jìn)展，傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)的圓偏振輻射一般具有寬帶和非相干的特性，同時(shí)具有輻射角度大、圓偏振度低的缺點(diǎn)，由于傳統(tǒng)方式較低的效率以及多偏振與多方向輻射帶來的能量浪費(fèi)，限制了其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。雖然具有高圓偏振度和方向性的手性激光器此前有相關(guān)報(bào)道，但是高純度的圓偏振輻射僅能保持在一定功率范圍內(nèi)，并且在激光閾值以下時(shí)，輻射的圓偏振度急劇下降。因此，還沒有方案能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高圓偏振度的自發(fā)輻射與激光。

來自深圳校區(qū)和澳大利亞國立大學(xué)的研究者利用手性準(zhǔn)BICs的物理特性，通過諧振超表面實(shí)現(xiàn)了高效可控的高純度圓偏振輻射。

BICs在動(dòng)量空間具有整數(shù)倍拓?fù)浜傻钠衿纥c(diǎn)，并且理論上具有無限高的Q值，因此被廣泛應(yīng)用于非線性光學(xué)、激光等領(lǐng)域。通過引入平面內(nèi)的非對(duì)稱性，BICs模式會(huì)退化為準(zhǔn)BICs模式，但是依然具有很高的Q值。有趣的是，在引入面內(nèi)非對(duì)稱性時(shí)，BICs的偏振奇點(diǎn)會(huì)劈裂為兩個(gè)具有半整數(shù)拓?fù)浜傻钠衿纥c(diǎn)，并且對(duì)稱分布在動(dòng)量空間。這兩個(gè)偏振奇點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于左旋和右旋圓偏振態(tài)，通常將這兩個(gè)點(diǎn)定義為C點(diǎn)。

在C點(diǎn)處，某一種圓偏振光可以耦合到納米結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生急劇的電磁場增強(qiáng)，而另一種圓偏振光與結(jié)構(gòu)完全解耦，并完美的透過納米結(jié)構(gòu)，這種性質(zhì)廣為人知，但其在控制輻射領(lǐng)域鮮有利用。這主要是因?yàn)镃點(diǎn)通常遠(yuǎn)離光子晶體能帶的高對(duì)稱點(diǎn)（Gamma點(diǎn)），導(dǎo)致其Q值很低，難以用來產(chǎn)生激光。

為了實(shí)現(xiàn)高純度的手性光輻射，可以通過調(diào)控C點(diǎn)至局域態(tài)密度的最強(qiáng)點(diǎn)，如將C點(diǎn)移動(dòng)到Gamma點(diǎn)，手性準(zhǔn)BICs的Q值也可以達(dá)到最大值。根據(jù)費(fèi)米黃金定則，此時(shí)某一圓偏振的輻射被極大增強(qiáng)，而另一種圓偏振的輻射被抑制，并且Q值和自發(fā)輻射率都會(huì)隨著角度的增加而迅速降低，因此在Gamma點(diǎn)附近可以實(shí)現(xiàn)高純度和方向性的圓偏振光出射。

控制C點(diǎn)在動(dòng)量空間的位置與最大化的固有手性密切相關(guān)，從原理上講，可以通過同時(shí)打破面內(nèi)和面外的鏡面對(duì)稱實(shí)現(xiàn)手性。因此在此研究中，研究人員在打破面內(nèi)對(duì)稱性的同時(shí)引入了一種面外的非對(duì)稱，即結(jié)構(gòu)的傾斜。對(duì)于每個(gè)固定的面內(nèi)不對(duì)稱量，都有一個(gè)相應(yīng)的面外不對(duì)稱量可以實(shí)現(xiàn)將C點(diǎn)移動(dòng)到Gamma點(diǎn)，并且在面內(nèi)不對(duì)稱度較小時(shí)，面內(nèi)和面外的不對(duì)稱量保持線性關(guān)系，可以非常容易的實(shí)現(xiàn)最大的固有手性。

實(shí)驗(yàn)中，研究者通過傾斜反應(yīng)離子刻蝕工藝制備了超表面，并對(duì)其進(jìn)行了表征，成功實(shí)現(xiàn)了圓偏振度為0.98，遠(yuǎn)場發(fā)散角為1.06度的手性發(fā)射，并且由于該圓偏振光源是通過控制動(dòng)量空間中的C點(diǎn)與局域態(tài)密度來實(shí)現(xiàn)的，所以手性輻射與泵浦功率無關(guān)，因此可以實(shí)現(xiàn)從自發(fā)輻射到激光的高純度、高Q值與高方向性圓偏振光出射。

“與傳統(tǒng)方式相比，手性準(zhǔn)BICs提供了一種全新的方案，在無需自旋注入的情況下即可實(shí)現(xiàn)控制自發(fā)輻射和激光的光譜、遠(yuǎn)場以及自旋角動(dòng)量?！彼吻搴＝淌诮榻B說，這種方法可以改善當(dāng)前手性光源的設(shè)計(jì)并促進(jìn)其在光子系統(tǒng)與量子系統(tǒng)中的應(yīng)用。

該論文第一作者為深圳校區(qū)博士生張旭東，由我校與澳大利亞國立大學(xué)合作完成，第一完成單位為我校，通訊作者為深圳校區(qū)宋清海教授與澳大利亞國立大學(xué)尤里·基夫沙爾教授。該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、深圳市科創(chuàng)委、微納光電信息系統(tǒng)理論與技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、鵬城實(shí)驗(yàn)室、極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等單位的支持。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7870

諧振超表面的高純度圓偏振自發(fā)輻射與激光，其輻射的圓偏振度接近1