【Nano Letters】手性光学新突破：独立调控品质因数与圆二色性的引导模式共振

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研究背景
近年来，由于手性高Q共振在激光和光学传感等领域的广泛应用，其受到了广泛关注。然而，独立调控手性光学共振的Q因数和圆二色性尚未有太多研究。以往的研究主要集中在通过调整纳米结构的高度和旋转角度来实现对Q因数和CD的调控，但这些方法在实际应用中面临纳米制造精度和成本的挑战。因此，开发一种能够独立调控Q因数和CD的新方法具有重要意义。
研究内容
近日，南开大学材料科学与工程学院陈树琪等人在Nano Letters期刊上发表了题为“Chiral Guided Mode Resonance with Independently Controllable Quality Factor and Circular Dichroism”的论文。他们通过简单改变双原子介质超表面光栅中的两个结构参数，即可独立调控导模共振（GMR）的 Q 因子和 CD，这为手性光学共振调控提供了一种新范式。研究发现，GMR 的 Q 因子和 CD 之所以能够独立调控，是由于两正交线偏振垂直入射所激发的导模场的集体干涉受到了调制。实验验证了具有 183 的 Q 因子和 ±0.62 的 CD 的 GMR，这与当前最先进的手性类束缚态（quasi - BICs）相当。这些研究结果为实现高 Q 值手性光学共振提供了一个有力平台。


文章亮点

  1. 独立调控Q因数和CD的新方法
    作者提出了一种基于二原子介质超表面光栅（diatomic dielectric metasurface grating）的结构，通过简单地改变两个结构参数（不对称参数δd和周期Py），实现了对手性GMR的Q因数和CD的独立调控。这种设计为手性光学共振的调控提供了一种全新的范式。

  2. 实验验证高Q手性GMR
    实验中成功实现了Q因数为183、CD为±0.62的手性GMR，其性能与当前最先进的手性准束缚态（quasi-BICs）相当。这一结果证明了所提出的设计策略在实现高Q手性共振方面的有效性。

  3. 基于布里渊区折叠和集体干涉的物理机制
    文章揭示了手性GMR的起源是布里渊区折叠（Brillouin zone folding），而其CD则是由于圆偏振光激发的导模场的自旋选择性集体干涉。通过调整结构参数，可以独立调控GMR的Q因数和CD，而不影响共振波长。

  4. 简化的结构设计与制造兼容性
    与现有技术相比，所提出的超表面光栅结构显著降低了结构复杂性，降低了制造要求，并且与现有的纳米制造技术兼容。这使得该设计不仅在理论上具有创新性，而且在实际应用中也具有可行性。

  5. 广泛的应用前景
    这种独立调控Q因数和CD的能力为设计具有特定手性光学特性的高Q共振提供了一个强大的平台，有望在手性激光、非线性谐波波操纵等领域得到广泛应用。

文章信息

期刊：Nano Letters

题目：Chiral Guided Mode Resonance with Independently Controllable Quality Factor and Circular Dichroism

作者：Zhancheng LiShiwang YuGuangzhou GengJiaqi ChengWenwei LiuYuebian ZhangJunjie LiHua Cheng*Shuqi Chen*

接受日期:31 January 2025

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c06157