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近日，哈工大（深圳）宋清海教授團隊在高純度超集成手性光源領域取得重要突破，利用手性准連續域束縛態（bound states in the continuum, BICs）實現了從自發輻射到激光的高純度、高方向性與高Q值圓偏振光發射，相關研究於2022年9月9日以《諧振超表面手性輻射》（Chiral emission from resonant metasurfaces）為題發表在《科學》（Science）上。

論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7870


超集成的圓偏振光源是經典光學與量子光學信息處理的重要組成部分，這一領域的發展主要依賴於手性材料與手性光學腔的進展。傳統方式實現的圓偏振輻射一般具有寬帶和非相干的特性，這種方式具有輻射角度大、圓偏振度低的缺點，由於傳統方式較低的效率以及多偏振與多方向輻射帶來的能量浪費限制了其實際應用價值。目前，具有高圓偏振度和方向性的手性激光器也有報道，但是高純度的圓偏振輻射僅能保持在一定功率範圍內，並且在激光閾值以下時，輻射的圓偏振度急劇下降。截至目前，還沒有方案能夠同時實現高圓偏振度的自發輻射與激光。

來自哈工大（深圳）和澳大利亞國立大學的研究者利用手性准BICs的物理特性，通過諧振超表面實現了高效可控的高純度圓偏振輻射。

BICs在動量空間具有整數倍拓撲荷的偏振奇點，並且理論上具有無限高的Q值，因此被廣泛應用於非線性光學、激光等領域。通過引入平面內的非對稱性，BICs模式會退化為準BICs模式，但是依然具有很高的Q值。有趣的是，在引入面內非對稱性時，BICs的偏振奇點會劈裂為兩個具有半整數拓撲荷的偏振奇點，並且對稱的分布在動量空間。這兩個偏振奇點分別對應於左旋和右旋圓偏振態，通常將這兩個點定義為C點。

在C點處，某一種圓偏振光可以耦合到納米結構中，產生急劇的電磁場增強，而另一種圓偏振光與結構完全解耦，並完美地透過納米結構，這種性質廣為人知，但其在控制輻射領域鮮有利用。這主要是因為C點通常遠離光子晶體能帶的高對稱點（Gamma點），導致其Q值很低，難以用來產生激光。

為了實現高純度的手性光輻射，可以通過調控C點至局域態密度的最強點，如將C點移動到Gamma點，手性准BICs的Q值也可以達到最大值。根據費米黃金定則，此時某一圓偏振的輻射被極大的增強，而另一種圓偏振的輻射被抑制，並且Q值和自發輻射率都會隨着角度的增加而迅速降低，因此在Gamma點附近可以實現高純度和方向性的圓偏振光出射。

控制C點在動量空間的位置與最大化的固有手性密切相關，從原理上講，可以通過同時打破面內和面外的鏡面對稱實現手性。因此在此研究中，研究人員在打破面內對稱性的同時引入了一種面外的非對稱，即結構的傾斜。對於每個固定的面內不對稱量，都有一個相應的面外不對稱量可以實現將C點移動到Gamma點，並且在面內不對稱度較小時，面內和面外的不對稱量保持線性關係，可以非常容易的實現最大的固有手性。

實驗中，研究者通過傾斜反應離子刻蝕工藝製備了超表面，並對其進行了表徵，成功實現了圓偏振度為0.98，遠場發散角為1.06度的手性發射。並且由於該圓偏振光源是通過控制動量空間中的C點與局域態密度來實現的，所以手性輻射與泵浦功率無關，因此可以實現從自發輻射到激光的高純度、高Q值與高方向性圓偏振光出射。


諧振超表面的高純度圓偏振自發輻射與激光，其輻射的圓偏振度接近1.

「與傳統方式相比手性准BICs提供了一種全新的方案，在無需自旋注入的情況下即可實現控制自發輻射和激光的光譜、遠場以及自旋角動量。」宋清海教授介紹說，這種方法可以改善當前手性光源的設計並促進其在光子系統與量子系統中的應用。

該論文第一作者為哈工大（深圳）博士研究生張旭東，第一完成單位為哈工大（深圳），由哈工大與澳大利亞國立大學合作完成，通訊作者為哈工大（深圳）宋清海教授與澳大利亞國立大學尤里·基夫沙爾教授。該項研究得到了國家自然科學基金委、科技部、深圳市科創委、微納光電信息系統理論與技術工信部重點實驗室、鵬城實驗室、極端光學協同創新中心等的支持。

本文來自「哈爾濱工業大學」。

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