复享光学-R1在手性超表面非对称光学传输效率测量中的应用

【概述】光学手性超构表面是由亚波长尺度单元所组成的平面或准平面光子器件。非对称传输是手性超表面的一大光学特性，该特性可应用于集成光路中的光学二极管，与电二极管类似，光学二极管要求器件具有单向性。目前，单层手性超材料中，非对称传输率在理论上被限制在 25% 以内，并伴随很高的吸收损耗，这成为该材料作为光学二极管的应用阻碍。而通过多层三维结构去实现非对称传输，虽然能将传输率突破 25%，但是其加工工艺更加复杂、困难，尤其是亚微米尺度以下的多层结构精准对准目前还很难实现。

图1，单层手性超表面

2022年，南开大学泰达应用物理学院齐继伟副教授在 Optical Express 上发表了一篇题为《Asymmetric reflection based on asymmetric coupling in single-layer extrinsic chiral metasurfaces》的文章。作者制作了一种单层手性超表面，创新地以圆偏振光斜入射反射的形式提升了非对称传输率，获得了与三维结构相当的非对称传输率。
      

【样品 & 测试】作者采用电子束光刻技术与金属镀膜技术在石英基底上制备了横向周期 1000nm，纵向周期 650nm 的单层 U型分裂环，该分裂环厚度 100nm，环形宽度 200nm，环形半径 350nm。为观测不同角度倾斜入射的反射情况，作者使用了复享光学的角分辨光谱仪R1，借助设备的自动旋转模块，灵活调整入射角与接收角，实现多角度反射光谱测量。同时，得益于角分辨光谱仪中的通用光学元件插口，作者使用线性偏振片与四分之一波片形成左旋与右旋圆偏振光，轻松获得合适的实验条件。

图2，测试示意图

作者通过模拟和测量左旋圆偏振光与右旋圆偏振光倾斜入射时超表面的反射光谱，并对比了正向入射与反向入射在 30°~45° 之间的测量结果，如图3 所示。研究发现，在 1120nm 处，右旋圆偏光正向入射与左旋圆偏振光反向入射的反射光谱均呈现出较宽的反射峰；在 1650nm 和 1075nm 处，右旋圆偏光反向入射与左旋圆偏振光正向入射的反射光谱分别显示出相对较窄反射峰。这一结果与 COSMOL 的模拟结果一致。

通过理论分析结合实测光谱，作者发现 1120nm 处的反射峰源于四极局域表面等离子体共振模式，而 1650nm 和 1075nm 处的反射峰则源于表面晶格模式。这些发现为深入理解手性超表面的光学特性提供了重要线索。

图3，U型分裂环超表面30°~45°反射光谱：（a,b）COSMOL模拟结果；（c,d）角分辨光谱仪测量结果

进一步研究中，作者分别对比左旋圆偏振光与右旋圆偏振光正反向反射效率差异，如图4 所示。值得注意的是，反射效率差异在 1000~1600nm 波段最高可达 40%，突破了二维非对称传输理论效率 25% 的限制。

图4，圆偏振光非对称反射效率测量结果

【总结】作者制备了一种基于单层手性超表面，旨在实现巨大的非对称反射，并将圆偏振光斜入射反射作为关键步骤。复享光学的角分辨光谱仪R1 具备高度适应性，能够轻松适应不同的实验条件，包括变化角度、偏振、相位延迟等参数。这一设备对研究以调控光束特性为主要功能的超表面至关重要。

图5，文章对复享光学 R1 的标注

【参考文献】
      ✽ Fu, Xianhui,;et al.Asymmetric reflection based on asymmetric coupling in single-layer extrinsic chiral metasurfaces. Optics Express (2022).