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长春理工大学在手性超表面研究中获得进展

发布时间:2017-09-30

近日,长春理工大学光电工程学院微纳光子学实验室提出了一种双层手性超表面,理论和数值模拟显示,该超表面表现出种全新的光学手性破缺现象。相关研究成果发表在国际期刊《光学快报》上。论文第一作者是硕士生赵建行,共同作者有刘智颖教授和周见红教授。该工作获得了国家自然科学基金项目和“111”计划的支持。

 

  超材料,作为具有超常物理性质的一种人工合成材料备受关注。作为超材料的一个分支,手性超材料展现出很多超常性质。由极化转换二色性发展而来的非对称传输特性,具体体现为同一种偏振光从相反的两个方向正入射,其中一个方向的入射光会因为超表面在共振波段的交叉耦合效应而增强透射,同时透射光会因此产生交叉极化转换从而产生入射光的正交偏振态。而另一个方向的入射光却不会激发超表面的交叉耦合效应而被阻挡。该性质可以用于微型偏振调控器件的制作,是当前手性超材料的研究热点之一。

 

  目前,关于非对称传输现象的大部分研究都集中在如何提高非对称传输效果上,即研究非对称系数的大小。该课题组成员另辟蹊径,引入超材料的另一种经典效应——等离激元电磁诱导透明效应(plasmonic analogue of electromagnetically induced transparency effect, EIT-like effect),在不打破结构对称性的基础上,在一特定狭窄波段上打破非对称传输效应,取而代之的却是对称传输效果。

 

  该课题组成员在原本表现出非对称传输效应的双层手性超表面中,添加周期结构的纳米棒,在上下两层中分别激发相互耦合的亮模和暗模。对于手性结构,高损耗的亮模直接与入射光耦合,产生较宽的非对称传输通带;纳米棒的引入,由于近场耦合效应,可以激发一个低损耗的暗模,亮模与暗模的耦合,产生相干相消效应,抑制了手性场,在非对称传输通带内产生了一个光学手性破缺的透明窗口。该手性破缺窗口的波段可以通过改变纳米棒的长度自由调控。由于EIT现象对折射率的高灵敏特性,该超表面既为生物、化学传感器的设计提供了一个新路径,又可将EIT现象引入光学偏振调控器件设计中。

 

  原文:Optical chirality breaking in a bilayered chiral metamaterial

 

  https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-25-19-23051

 

 

  图1 (a)超表面的一个周期 (b)超表面的前层正视图(c)超表面的后层正视图

 

 

  图2 (a)无纳米棒的部分结构图 (b)z方向入射的x和y偏振光的非对称系数 (c)x和y偏振光的-z方向透过率 (d)T矩阵系数

 

 

  图3 (a)z方向入射的x和y偏振光的非对称系数 (b)x和y两种偏振光的-z方向透过率 (c)T矩阵系数

 

 

  图4 手性破缺处电场分布 (a)前层有纳米棒 (b)后层有纳米棒 (c)前层去掉纳米棒 (d)后层去掉纳米棒

 

 

  图5 (a)和(b)前层和后层y偏振光的有纳米棒(黑实线)和无纳米棒(红虚线)的透过率 (c)和(d)后层无纳米棒和有纳米棒时的T矩阵系数

 

  图6 不同长度的纳米棒对非对称系数的调控