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長春理工大學在手性超表面研究中獲得進展

發布時間:2018-09-30

近日,長春理工大學光電工程學院微納光子學實驗室提出了一種雙層手性超表面,理論和數值模擬顯示,該超表面表現出種全新的光學手性破缺現象。相關研究成果發表在國際期刊《光學快報》上。論文第一作者是碩士生趙建行,共同作者有劉智穎教授和周見紅教授。該工作獲得了國家自然科學基金項目和“111”計劃的支持。

 

  超材料,作為具有超常物理性質的一種人工合成材料備受關注。作為超材料的一個分支,手性超材料展現出很多超常性質。由極化轉換二色性發展而來的非對稱傳輸特性,具體體現為同一種偏振光從相反的兩個方向正入射,其中一個方向的入射光會因為超表面在共振波段的交叉耦合效應而增強透射,同時透射光會因此產生交叉極化轉換從而產生入射光的正交偏振態。而另一個方向的入射光卻不會激發超表面的交叉耦合效應而被阻擋。該性質可以用于微型偏振調控器件的制作,是當前手性超材料的研究熱點之一。

 

  目前,關于非對稱傳輸現象的大部分研究都集中在如何提高非對稱傳輸效果上,即研究非對稱系數的大小。該課題組成員另辟蹊徑,引入超材料的另一種經典效應——等離激元電磁誘導透明效應(plasmonic analogue of electromagnetically induced transparency effect, EIT-like effect),在不打破結構對稱性的基礎上,在一特定狹窄波段上打破非對稱傳輸效應,取而代之的卻是對稱傳輸效果。

 

  該課題組成員在原本表現出非對稱傳輸效應的雙層手性超表面中,添加周期結構的納米棒,在上下兩層中分別激發相互耦合的亮模和暗模。對于手性結構,高損耗的亮模直接與入射光耦合,產生較寬的非對稱傳輸通帶;納米棒的引入,由于近場耦合效應,可以激發一個低損耗的暗模,亮模與暗模的耦合,產生相干相消效應,抑制了手性場,在非對稱傳輸通帶內產生了一個光學手性破缺的透明窗口。該手性破缺窗口的波段可以通過改變納米棒的長度自由調控。由于EIT現象對折射率的高靈敏特性,該超表面既為生物、化學傳感器的設計提供了一個新路徑,又可將EIT現象引入光學偏振調控器件設計中。

 

  原文:Optical chirality breaking in a bilayered chiral metamaterial

 

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

 

 

  圖1 (a)超表面的一個周期 (b)超表面的前層正視圖(c)超表面的后層正視圖

 

 

  圖2 (a)無納米棒的部分結構圖 (b)z方向入射的x和y偏振光的非對稱系數 (c)x和y偏振光的-z方向透過率 (d)T矩陣系數

 

 

  圖3 (a)z方向入射的x和y偏振光的非對稱系數 (b)x和y兩種偏振光的-z方向透過率 (c)T矩陣系數

 

 

  圖4 手性破缺處電場分布 (a)前層有納米棒 (b)后層有納米棒 (c)前層去掉納米棒 (d)后層去掉納米棒

 

 

  圖5 (a)和(b)前層和后層y偏振光的有納米棒(黑實線)和無納米棒(紅虛線)的透過率 (c)和(d)后層無納米棒和有納米棒時的T矩陣系數

 

  圖6 不同長度的納米棒對非對稱系數的調控


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