大连理工大学的研究团队提出了一个具有四个适当旋转的矩形孔的手性超表面模型。研究人员通过以一定角度旋转矩形孔使其具有手性制作了提出的超表面器件，并进行了光学测量，结果与设计一致。在近红外区域，归一化CD值约为0.01。本工作展示了一个完整的超表面器件和手性可调平面元器件的制备过程。在偏振成像、生命科学、药物手性检测等领域也具有广阔的应用前景。
本文要点
研究人员通过可操作性高的旋转方法引入手性提出了一种手性超表面并对其进行了仿真测试，理论与实验结果高度吻合，获得了强CD值。
研究背景
近年来，人们对近红外波段的手性超表面的CD进行了大量的研究，许多结构在近红外波段提供了非常丰富的手性宽带响应。Wu等研究了一种由矩形孔组成的新型等离子体手性超表面的近红外手性，通过改变元素的取向有效地逆转圆二色性和调节手性。Wang等克服了现有平面手性超表面所面临的纳米制造挑战，为操纵光自旋提供了新的方向。
研究内容
Ⅰ.一种手性超表面装置的设计
图1 (a)单个元结构的模式图 (b)该装置的光学入射示意图
研究人员提出的超表面是在BK7玻璃板上蚀刻最小厚度为175 nm的铝(Al)膜内的元原子阵列。单个元结构的模式如图1(a)所示。这四个矩形围绕它们的中心旋转，打破了它们自己的轴对称，同时，倾角(θ)定义为它们之间的倾角。该器件在入射光下的原理图如图1(b)所示。
Ⅱ.仿真结果
研究人员提出的元结构在入射LCP波长为800 nm时的电场振幅在Y-Z平面和X-Y平面上的分布如图2(a)和2(c)所示。对于RCP光入射，Y-Z平面和X-Y平面的电场振幅分布分别如图2(b)和2(d)所示。研究发现，同一元结构在RCP光激发下的电场振幅比LCP光激发下的大得多。
图2 提出的元结构在入射光波长为800 nm时的电场振幅分布 (a)在LCP光的X-Z平面(y = 0) (b)在RCP光的X-Z平面(y = 0) (c)在LCP光的X-Y平面(z = 0) (d)在RCP光的X-Y平面(z = 0)。
圆偏振光的超表面透射系数可表示为
其中“+”为RCP光，“-”为LCP光。其中，T+−表示LCP光入射效率和RCP光透射效率。根据圆二色性的定义，得到CD值为
由于我们设计的元器件所展示的CD，入射光在穿过器件时发生了偏振角的变化。虽然CD值可以描述LCP和RCP光之间的绝对差异，但它们不能捕获它们的相对差异。在这种情况下，不对称值g被用来量化手性的大小。该值定义为手性介质的CD与LCP和RCP光下介质的吸光度之比，表示为
图3(a)为所设计的超表面器件在旋转30°时随波长变化的透射率曲线。在这里，绘制了LCP光和RCP光的超表面器件的透射系数(T++，T--，T+−和T-+)。图3(b)给出了不同工作波长下的CD值和非对称g因子。CD值定义为LCP光和RCP光的透射率之差。不对称值g和CD值都能反映手性物质的圆二色性。从这里可以看出，不对称值g满足−1≤g≤1。对于非手性物质，由于LCP光和RCP光的透过率相同，不对称为0。当物质具有手性效应时，不对称值的绝对值随着手性反应的增大而增大。对于强手性反应，不对称值的绝对值接近于1。
图3 当旋转角度为30°时，(a)在0.7 ~ 1.25 μm波长范围内，超表面器件的透射系数(T++、T--、T+−和T−+)的透射率。(b) CD值和非对称g因子与工作波长的关系。
Ⅲ.器件制作及光学测量
采用热蒸发技术将铝膜沉积在玻片上。然后利用聚焦离子束(FIB)刻蚀技术在铝膜表面刻蚀出矩形孔阵列。研究人员提出的超表面器件的SEM图像如图4(a)所示。获得样品后，使用光学显微镜对超表面阵列和特定形貌进行观察和拍摄，然后进行实验。得到的结果如图4(b)所示，该超表面阵列具有大量的矩形孔，反射率高于周围未蚀刻的铝膜，颜色明显变暗，可以看出该超表面由方形元素组成。
图4 (a) 通过聚焦离子束蚀刻获得的超表面，在电子显微镜下观察照片。(b)光学显微镜下的超表面图像，以及单元结构的设计。
获得阵列后，使用光学检测系统[如图5(a)所示]测试不同线偏振光的透射率。图5(b)显示了不同工作波长下透光率与偏振角的关系。
图5 (a)测量不同偏振光下样品透射率的偏振检测系统；(b)透射率与偏振角随工作波长变化的关系。
入射激光束的透射率与偏振角随波长调整的关系如图6(a)所示。图6(b)中，g值的实验数据与仿真结果高度吻合。
图6 (a)入射激光束的透射率和偏振角与该手性超表面器件波长调谐的关系 (b)实验数据和模拟结果的不对称因子g。
根据上文给出的公式从LCP光和RCP光的超表面器件的透射系数(T++、T--、T+−和T-+)可以计算出CD值和不对称因子g。然而，从我们的实验检测系统中获得的数据是线偏振光的超表面器件的透射系数(Txx, Tyy, Txy和Tyx)。因此，有必要将线偏振光的透射系数(Txx, Tyy, Txy和Tyx)转换为LCP光和RCP光的超表面器件的透射系数(T++、T--、T+−和T-+)。数据是使用Jones矩阵获得的。用MATLAB将实验数据代入程序后，由于实验本身不可避免地存在误差，所以使用最小二乘法推导出最可能的矩阵T。得到各波长对应的CD值和不对称因子g。
表1实验数据中不同波长的CD值和g值
总结与展望
综上所述，研究人员设计了一种手性超表面器件，该器件在近红外波段不同方向对线偏振光的透射率差异较大，从理论推导、样品设计、器件制作、光学测量等方面都可以实现强CD值。在这里，研究人员展示了一个完整的理论和实验过程，理论设计与光学测量高度一致。此外，研究人员的设计提供了增强的灵活性和可调性，从而能够精确控制光的偏振状态。该设计在光学控制领域具有重要意义，为光学器件的性能优化和应用扩展提供了新的思路和方法。与传统的手性材料相比，手性超表面具有更宽的波长响应范围和更高的圆二色性。本文成功地实现了超表面良好的圆二色性，为光学控制中圆偏振光器件的设计提供了重要参考。所提出的超表面在光通信、传感、成像等领域有着广泛的应用，对未来的技术进步充满了希望。
文献详情
Wensheng Jiao, Yuqing Ren, Hsin-Han Peng, Kaizhu Liu, Chao Wang, Rui Li, and Hsiang-Chen Chui
J.Appl. Phys. 136, 023108 (2024)
doi: 10.1063/5.0214930
