近日，数理学院应用物理系教师程宇清与北京大学吕国伟研究员等合作以“High Discrimination Ratio, Broadband Circularly Polarized Light Photodetector Using Dielectric Achiral Nanostructures”在《Light: Science & Applications》发表文章。程宇清和吕国伟为共同通讯作者，北京大学物理学院博士生张冠宇为第一作者。《Light: Science & Applications》是Nature子刊中极具影响力的光学类期刊，创刊于2012年，最新影响因子为20.6，连续9年稳居世界光学期刊榜前三。
圆偏振光探测，即左旋圆偏光（LCP）和右旋圆偏光（RCP）的探测，在手性分子传感，量子光学研究，遥感成像和视觉增强等领域有着十分广泛的应用。传统的探测方法用四分之一波片和偏振片将圆偏光转化为线偏光后进行探测，但该方法需要用到大量的体光学器件，不利于探测器的小型化和片上集成。为此，研究者们展开了小型化，集成化的圆偏振光直接探测器的研究，并在过去数年中取得了极大进展。目前主要有基于手性材料、新机理和微纳结构三条路线。其中，基于对左右旋光有吸收差异的手性半导体材料通常受限于材料性质，高响应度和高分辨能力往往难以兼得；基于直接响应光子自旋的新型光电机理产生的光电流大多较为微弱；利用人工微纳结构的等离激元超表面已在近红外和中红外波段实现了性能极为优异的圆偏振光直接探测，然而受限于可能对加工难度或本征损耗，在可见光波段还缺乏分辨能力强、宽带的圆偏振敏感光电探测器。
图1 器件结构及原理。a. 器件结构示意图；b. 器件SEM图，比例尺为1微米；c-d. 圆偏振光入射时的局域光场示意图以及不同近场模式导致热载流子产生方向相反的光电流示意图；e-f. 圆偏振光入射时近场模式模拟结果；g-h. 光发射电子显微镜观察得到的近场模式分布。
为解决上述问题，程宇清与合作者深入探究了非手性微纳结构的近场模式的手性特性，在该工作中选取以碲（Te）为基底的V型槽非手性结构，用以实现圆偏振光探测。该结构示意图如图1a所示，在碲薄膜上刻蚀的多个V型槽沿着x和y方向分别交替反向和周期出现，并在槽两侧集成电极。图1b展示了结构的扫描电镜图。器件的机理如图1c-h所示，通过设计并优化结构的几何参数，可以使右旋光与左旋光激发的近场模式分别局域在V型槽的左臂和右壁位置，使得结构两侧产生不同方向的温度梯度，导致光热电材料（碲）中的载流子向低温方向扩散，进而形成不同方向的电势差，最终热载流子由V型槽两侧的电极收集，实现圆偏振敏感的光电响应。
图2 测试结果。a, b, c. 分别为405 nm， 520 nm， 638 nm激光照射下的光电压随光场偏振态的变化。d. 该器件与其他非对称结构的器件的分辨比对比。
图2a-c展示了该结构的光电压在405 nm，520 nm，638 nm照射下的测试结果。通过改变四分之一波片的角度从而改变入射光的偏振态，同时测量光电压随偏振态的变化。结果显示，右旋偏振光对应电压达到正向最大，左旋偏振光对应电压达到反向最大。定义分辨比为左旋光与右旋光激发的光响应之差的绝对值比上它们的平均值。器件的分辨比通常用于表征其对圆偏振光的分辨能力。该器件在可见光范围实现了极高的分辨比，特别是在405 nm达到了107，远远超过图2d展示的其他工作中的器件的分辨比。由于圆偏振敏感的近场模式在可见光宽带范围内存在，且右旋光与左旋光激发的近场模式可导致方向相反的光电压，因此该器件再可见光宽带范围内有着优异的圆偏振分辨能力。
该研究通过非手性结构中的手性分辨近场模式，实现了宽带、高分辨比的集成化圆偏振光电探测器。该圆偏振探测机理可广泛适用于多种材料、结构、波段和光电响应机理，为开发片上高性能圆偏振光探测器提供了新的思路和方法。
程宇清，北京科技大学数理学院讲师，2013年获得北京大学物理学学士学位，2018年获得北京大学物理学院光学博士学位，2018-2020年在北京应用物理与计算数学研究所从事博士后研究。2020年加入北京科技大学数理学院应用物理系。主要研究方向为微纳光学与光电子学，重点关注基于表面等离激元的荧光、拉曼信号调控。其他研究方向包括极端条件的物质粘性、岩砼破裂电磁信号源的定位。以第一或通讯作者在Light: Science & Applications，Journal of Chemical Physics，Applied Physics Letters，Nanoscale，New Journal of Physics，Physical Review E等期刊发表论文20余篇。主持国防科技重点实验室基金项目1项、中央高校基本科研业务费2项，作为骨干参与国家自然科学基金面上项目1项。参与撰写英文专著《Nanoscale Photonics and Spectroscopy (Ⅱ)》。
出品：数理学院团委新闻宣传中心
编辑：刘旭
责编：张斯斯 陈亚 相多吉
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