撰稿|课题组供稿
2024年6月 28日，暨南大学物理与光电工程学院邓子岚、李向平教授团队在学术期刊npj Nanophotonics上发表综述性论文“Advances on broadband and resonant chiral metasurfaces”。该综述论文系统性地总结了具有宽带及共振型光学手性超表面的总体进展。全面讨论了3D手性、2D手性、内禀手性、外禀手性等不同类型手性光学效应的基本原理与应用实例，并提出了手性光子学的目前面临的挑战及未来发展方向。
超表面能够在超薄平面内控制光的相位、偏振、振幅及谐振等特性，为构建紧凑而灵活的衍射、偏振光学元件提供了一个多功能平台。为了全面操控偏振态，特别是实现圆偏振的产生、操控及探测，通常需要手性光学结构来实现。通过采用手性微纳结构作为超表面的结构单元，构建手性光学超表面，根据手性超表面的结构镜像对称性类型与偏振转换/保持特性，可分为3D光学手性与2D光学手性响应。其中，3D手性光学响应发生在三维空间中镜像对称性完全被打破的3D手性光学结构中，表现为偏振保持的手性光学响应；2D手性光学响应发生在仅面内镜像对称性被打破的2D（平面）手性光学结构中，表现为偏振转换的手性光学响应。根据设计策略，2D/3D手性响应可进一步分为内禀手性和外禀手性响应。在正入射条件下，光学系统的手性特征符合结构本身的本征几何手性，此类光学手性为内禀手性 (intrinsic chirality)。另一方面，在斜入射条件下，光学手性不能仅由结构的几何手性来定义，而是由光学传播方向与超表面结构的相对关系共同决定。无论超表面结构是否具有镜像对称性，斜入射都会自动将镜像对称破坏引入整体光学配置，所产生的光学手性响应即为外禀手性。由于这种手性是由光学激发配置而不是本征结构本身从外部引入的，我们称之为外禀光学手性(extrinsic chirality)。注意到，光学手性的3D/2D，内禀/外禀类型的区分是完全独立的，它们之间可以两两组合，形成3D内禀、3D外禀、2D内禀、2D外禀四种不同类型。利用微纳结构丰富的光学手性响应，手性光学研究各分支在近年来发展迅速。为了满足某些特定应用中对较宽工作带宽的需求，人们设计了宽带手性超表面，主要用于高效圆偏振器或偏振控制器件中。为了增强手性光与物质的相互作用，人们提出了共振型手性超表面，这在手性分子检测和手性光源等领域具有重要应用价值。
本文综述了宽带和共振手性超表面的最新研究进展，涵盖了手性光学响应的基本原理、宽带手性超表面、一般共振型手性超表面以及基于连续域束缚态（BIC）的强共振型手性超表面等内容。重点讨论了实现手性光学响应的典型3D与2D手性结构，如螺旋线、多层堆叠和风车型等结构；宽带手性超表面在圆偏振过滤器、手性成像、手性全息等方面的重要应用；共振型3D/2D、内禀/外禀手性超表面在手性分子检测、手性发光、手性非线性光学等领域的广阔应用前景；特别讨论了最近兴起的BIC共振型手性超表面在进一步提高共振Q值及手性响应方面的巨大贡献。最后，文章展望了手性超表面面临的挑战及未来发展方向，旨在实现具有实时可调和可重构手性调控能力、更高纯度手性光发射以及更高精度的手性分子检测等应用。
图1. 3D手性光学微纳结构:其在整个3D空间中均不具有镜像对称性。3D手性超表面能够提供较多的设计自由度，但其制备与加工更具挑战性。
图2. 2D手性光学微纳结构: 典型的2D手性结构包括双面镰刀型、卍字型、L形、非对称开口环、S形和多原子结构等，其在结构所在的2D平面内镜像对称性被打破，但在垂直于面内方向上仍具有镜像对称性。其面外对称性导致其光学手性响应表现在偏振转化项上。
这篇文章综述了宽带和共振手性光学超表面的最新进展，呈现了手性光学超表面在平面圆偏振器件、手性成像、手性全息术和手性分子检测、手性光发射和手性非线性光学等领域中的广泛应用。宽带手性超表面在成像和全息技术中展示了卓越的性能，而共振手性超表面则显著提高了手性分子检测的灵敏度，并有效提升了光发射的圆偏振度，手性BIC超表面结合高质量因子和强局域电磁场，适用于高灵敏度传感器和非线性光学等领域。目前宽带和共振手性超表面的研究及应用仍面临诸多挑战。从结构设计上，手性超表面的可调结构参数较多，导致其在设计阶段耗时长。从功能设计上，现阶段的手性超表面工作面临着偏振消光比低、复用维度低以及与其他技术集成等挑战。由于手性超表面尺寸小，加工过程必然存在误差，从设计端增加超构原子设计的结构容忍度至关重要。在未来，手性超表面设计与机器学习融合实现高效的光学手性响应将成为新的发展趋势。希望在制造技术及新的调控机制能够进一步地提升手性超表面对光操控的能力，这种高效/高灵敏度的手性响应有望在高精度偏振成像、矢量全息技术、生物医学成像和量子计算等前沿技术中扮演关键角色。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s44310-024-00018-5
