斯坦福大学JIHO HONG等人提出了一种基于硅纳米线的非局部超表面，在理论上展示了如何将薄硅层制成一个错位纳米线阵列，可以用于检测圆偏振光。其效率达到了平面探测器在对称外部环境中圆二色性的理论研究极限。通过在硅纳米线中引入周期性的错位，实现了对特定手性（右旋或左旋圆偏振光）的选择性激发，使得对于一种手性的光能够选择性地激发非局部的导模共振。并且在实验上展示了由这些错位纳米线阵列制成的紧凑型、高性能的手性光电探测器。这项工作突出了缺陷在实现新的纳米光子功能和设备中的关键作用。
本文要点
1
提出了一种新型的非局部超表面，该超表面通过在硅纳米线中引入周期性的错位来实现对圆偏振光的选择性检测。这种设计利用了非局部、导模共振的特性，允许对一种手性的光波进行选择性激发，而传输相反手性的光波。通过理论分析和耦合模式理论，文章展示了如何达到圆二色性的理论研究极限，即在对称外部环境中实现最大的圆二色性。
2
通过实验验证了这种超表面的实际性能。在透明蓝宝石基底上制造错位硅纳米线阵列，实验展示了这种超表面能够实现对圆偏振光的高效率检测。通过测量光学吸收光谱和外部量子效率光谱，文章证实了超表面对于右旋和左旋圆偏振光具有不同的响应，从而可以直接区分这两种偏振状态的光。验证了理论设计的有效性，并展示了这种超表面在实际应用中的潜力。
研究背景
这项研究通过理论和实验相结合的方法，展示了一种新型超表面在圆偏振光检测领域的创新应用，为未来的光学传感和成像技术提供了新的可能性。
图文速递
图1. CD用错位的高折射率半导体超表面。（a）使用错位的高指数半导体超表面的CD光电探测器的示意图。错位的Si NW超表面显示出对感兴趣CP（RCP，红色）的共振吸收，同时透射另一个CP（LCP，蓝色），从而可以电读出入射CP。（b）制造的Si纳米结构的SEM。周期性结构的晶胞由白框勾勒出来。比例尺，500 nm。（c） 自由空间中光学共振纳米图案半导体层与入射RCP（左）和LCP（右）在临界耦合下相互作用的图示。（d） 悬浮在自由空间中的错位Si NW超表面的RCP（红色）和LCP（蓝色）的模拟光吸收光谱。Si超表面设计用于在λD 800 nm处呈现RCP的共振吸收。吸收率的理论极限由黑色虚线表示。插图：RCP（顶部）和LCP（底部）两个相邻晶胞正中平面内的归一化磁场分布（λ=800 nm）。比例尺，200 nm。
图2. 单个Si NW中位错的光散射。（a） TM偏振（h=50 nm，w=100 nm）的薄Si NW（左）和错位Si NW（右，δ=40 nm）的示意图。模拟的表面电荷密度分布（λ=800 nm）覆盖在两个半无限NW之间的界面上（右），充当局域电偶极子p，辐射回每个半无限NW的导模。（b） （c）对于（b）TM和（c）TE极化，具有较大高度（h=180 nm，w= 100 nm，δ=40 nm）的错位Si NW的示意图。模拟的表面电荷密度分布和表面磁电流密度分布叠加在两个半无限NW之间的界面上，分别用作局域电四极Qe （b）（由一组在水平和垂直方向上反平行取向的电偶极子表示）和局域磁偶极子m（c）。在（a）-（c）中，入射场的相位选择不同，以阐明散射场的不同多极源。
图3.单位错处导波的偏振控制激发。（a） 引入Si NW阵列（3y D 500 nm）的单个位错的示意图。对于LP，在远离位错的位置（由黑色虚线框表示）检查激发的导波。（b） 无错位Si NW阵列（δ=0）在LP照明下的模拟平均透射率（λ=800 nm）。突出显示的带表示一组几何形状，这些几何形状在传输中提供了TM和TE偏振光之间所需的π相移（在±0.05π的范围内）。白点表示（c）中使用的NW的尺寸（h=185 nm，w=95 nm）。（c） TM和TE偏振激发的基本导模（λ=800 nm）的模拟耦合截面（实心）和相位差（虚线）与δ（≠0）的函数关系。LP的耦合截面在δ=30 nm附近是相同的。（d） 不同入射极化的归一化散射磁场分布及其相量表示（λ=800 nm）。相量表示被分解为TM-（品红色）和TE-（青色）偏振入射场的贡献，以说明它们之间的干扰。比例尺，200 nm。
图4. 利用导模共振增强吸收。（a） 图3中设计的Si NW阵列中引入的周期性位错示意图。在每个位错处，RCP的基本导模被激发[图3（d）]，准导波沿着Si NW阵列发射。（b） 模拟了非错位硅NW阵列前两个引导布洛赫模的色散关系。白点表示λ=800 nm处的基本导模。黑线分别表示空气和硅中的光线。插图：色散关系中所示点处导模的磁场（左）和电场（右）分布。比例尺，100 nm。（c） RCP（红色）和LCP（蓝色）以及相应CD（黑色）的模拟吸收率（λ=800 nm）是3x的函数。插图：RCP（顶部）和LCP（底部）在吸收峰（3x=430 nm）处的归一化磁场分布。比例尺，200 nm。（d） 以及（e）RCP[红色，（d）]和LCP[蓝色，（e）]的模拟透射率（T，实线）、反射率（R，虚线）和吸收率（A，灰色）光谱（3x=430 nm）。插图：共振波长附近RCP的光谱（阴影范围内）。黑色虚线分别表示0.25和0.5。
总结与展望
总之，该研究提出了一种基于非局部超表面的新型光电探测器，专门用于检测圆偏振光。通过在硅纳米线中引入周期性的错位，设计了一种能够选择性激发特定手性光（右旋圆偏振光）的非局部超表面，同时传输相反手性的光。制造了基于这种设计的光电探测器，并通过对光学吸收和外部量子效率的测量，验证了其对圆偏振光的高效检测能力。实验结果表明，该探测器能够实现对右旋和左旋圆偏振光的不同响应，达到了接近理论极限的圆二色性。通过耦合模式理论和散射场形式主义，分析了超表面的工作原理，包括如何通过控制散射场来实现对非局部导模共振的选择性激发。这些错位的纳米结构可用于需要密集集成的偏振传感和成像的一系列应用。这项研究为圆偏振光的检测和应用提供了新的可能性
文献详情
https://doi.org/10.1364/OPTICA.468252
