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▌R1 在手性超表面非對(duì)稱光學(xué)傳輸效率測(cè)量中的應(yīng)用
利用角分辨光譜儀檢測(cè)分裂環(huán)超表面的非對(duì)稱反射
超表面
手性
非對(duì)稱反射
圓偏振光
【概述】光學(xué)手性超構(gòu)表面是由亞波長(zhǎng)尺度單元所組成的平面或準(zhǔn)平面光子器件。非對(duì)稱傳輸是手性超表面的一大光學(xué)特性，該特性可應(yīng)用于集成光路中的光學(xué)二極管，與電二極管類似，光學(xué)二極管要求器件具有單向性。目前，單層手性超材料中，非對(duì)稱傳輸率在理論上被限制在 25% 以內(nèi)，并伴隨很高的吸收損耗，這成為該材料作為光學(xué)二極管的應(yīng)用阻礙。而通過多層三維結(jié)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱傳輸，雖然能將傳輸率突破 25%，但是其加工工藝更加復(fù)雜、困難，尤其是亞微米尺度以下的多層結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)目前還很難實(shí)現(xiàn)。
2022年，南開大學(xué)泰達(dá)應(yīng)用物理學(xué)院齊繼偉副教授在 Optical Express 上發(fā)表了一篇題為《Asymmetric reflection based on asymmetric coupling in single-layer extrinsic chiral metasurfaces》的文章。作者制作了一種單層手性超表面，創(chuàng)新地以圓偏振光斜入射反射的形式提升了非對(duì)稱傳輸率，獲得了與三維結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)姆菍?duì)稱傳輸率。
【樣品 & 測(cè)試】作者采用電子束光刻技術(shù)與金屬鍍膜技術(shù)在石英基底上制備了橫向周期 1000nm，縱向周期 650nm 的單層 U型分裂環(huán)，該分裂環(huán)厚度 100nm，環(huán)形寬度 200nm，環(huán)形半徑 350nm。為觀測(cè)不同角度傾斜入射的反射情況，作者使用了復(fù)享光學(xué)的角分辨光譜儀R1，借助設(shè)備的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)模塊，靈活調(diào)整入射角與接收角，實(shí)現(xiàn)多角度反射光譜測(cè)量。同時(shí)，得益于角分辨光譜儀中的通用光學(xué)元件插口，作者使用線性偏振片與四分之一波片形成左旋與右旋圓偏振光，輕松獲得合適的實(shí)驗(yàn)條件。
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作者通過模擬和測(cè)量左旋圓偏振光與右旋圓偏振光傾斜入射時(shí)超表面的反射光譜，并對(duì)比了正向入射與反向入射在 30°~45° 之間的測(cè)量結(jié)果，如圖3 所示。研究發(fā)現(xiàn)，在 1120nm 處，右旋圓偏光正向入射與左旋圓偏振光反向入射的反射光譜均呈現(xiàn)出較寬的反射峰；在 1650nm 和 1075nm 處，右旋圓偏光反向入射與左旋圓偏振光正向入射的反射光譜分別顯示出相對(duì)較窄反射峰。這一結(jié)果與 COSMOL 的模擬結(jié)果一致。
通過理論分析結(jié)合實(shí)測(cè)光譜，作者發(fā)現(xiàn) 1120nm 處的反射峰源于四極局域表面等離子體共振模式，而 1650nm 和 1075nm 處的反射峰則源于表面晶格模式。這些發(fā)現(xiàn)為深入理解手性超表面的光學(xué)特性提供了重要線索。
圖3，U型分裂環(huán)超表面30°~45°反射光譜：（a,b）COSMOL模擬結(jié)果；（c,d）角分辨光譜儀測(cè)量結(jié)果
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進(jìn)一步研究中，作者分別對(duì)比左旋圓偏振光與右旋圓偏振光正反向反射效率差異，如圖4 所示。值得注意的是，反射效率差異在 1000~1600nm 波段最高可達(dá) 40%，突破了二維非對(duì)稱傳輸理論效率 25% 的限制。
圖4，圓偏振光非對(duì)稱反射效率測(cè)量結(jié)果
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【總結(jié)】作者制備了一種基于單層手性超表面，旨在實(shí)現(xiàn)巨大的非對(duì)稱反射，并將圓偏振光斜入射反射作為關(guān)鍵步驟。復(fù)享光學(xué)的角分辨光譜儀R1 具備高度適應(yīng)性，能夠輕松適應(yīng)不同的實(shí)驗(yàn)條件，包括變化角度、偏振、相位延遲等參數(shù)。這一設(shè)備對(duì)研究以調(diào)控光束特性為主要功能的超表面至關(guān)重要。▌
圖5，文章對(duì)復(fù)享光學(xué) R1 的標(biāo)注
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【參考文獻(xiàn)】
? Fu, Xianhui,;et al. Asymmetric reflection based on asymmetric coupling in single-layer extrinsic chiral metasurfaces. Optics Express (2022). Link
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