1.引言

手性指的是結(jié)構(gòu)的幾何特征，這意味著通過旋轉(zhuǎn)或平移等操作，該結(jié)構(gòu)無法與其鏡像重合。具有手性的材料在自然界中廣泛存在，如DNA、氨基酸、糖分子等。(1)物質(zhì)手性的研究提供了關(guān)于微觀對(duì)稱性的信息，我并為分子分析和識(shí)別提供了依據(jù)。作為光的兩個(gè)自旋本征態(tài)，左旋圓偏振(LCP)光和右旋圓偏振(RCP)光在與手性材料相互作用時(shí)展現(xiàn)出不同的特性。(2)手性光學(xué)效應(yīng)主要包括光學(xué)活性和圓二色性，它們?cè)醋允中圆牧蠈?duì)左旋光(LCP)和右旋光(RCP)光的反射率和折射率的實(shí)部和虛部。在手性光學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域，如分析化學(xué)和制藥行業(yè)，這些效應(yīng)被用于確定分子的結(jié)構(gòu)和濃度。風(fēng)(3)手性光學(xué)器件廣泛出現(xiàn)在偏振控制、顯示和成像等領(lǐng)域。然而，天然手性材料的響應(yīng)通常非常微弱，這在實(shí)際應(yīng)用中帶來了諸多限制。

與天然材料的弱手性相比，手性元材料的響應(yīng)強(qiáng)度被提高了數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。(4)彭德里在理論上使用金屬環(huán)構(gòu)造了手性元材料，從而實(shí)現(xiàn)了負(fù)折射率。(5)之后，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了手性元材料的更多特性。根據(jù)結(jié)構(gòu)的尺寸，元材料可以被分為三維(3D)和二維(2D)結(jié)構(gòu)。相繼提出了一系列具有圓二色性效應(yīng)的三維手性元材料如金螺旋、雙螺旋納米線結(jié)構(gòu)、錐形金螺旋以及3D結(jié)構(gòu)等海星結(jié)構(gòu)，等等。手性超表面是超材料的二維形式，由亞波長超原子組成。費(fèi)多托夫等人。發(fā)現(xiàn)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了圓極化波在通過有損各向異性平面手性結(jié)構(gòu)時(shí)的非對(duì)稱透射率。楊等。采用阿基米德螺線結(jié)構(gòu)的金薄膜進(jìn)行圓偏振光探測。李等。報(bào)道了一種利用手性等離子體超材料實(shí)現(xiàn)的具有大工程手性的圓偏振光探測器。

在之前的出版物中，大多數(shù)關(guān)于手性超材料的報(bào)告都使用了金屬結(jié)構(gòu)，而對(duì)手性介電超表面的手性研究則相對(duì)較少。由于介電超材料具有較低的吸收損耗和高折射率，它們能夠更有效地進(jìn)行光學(xué)操控。吳等人通過一個(gè)手性介電超表面實(shí)現(xiàn)了高Q數(shù)的法諾共振。胡等人提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了全介電手性超表面的高效圓二色性波片。馬等人..模擬平面手性元表面展現(xiàn)出巨大的圓二向色性。在此，我們使用全硅手性元表面來產(chǎn)生高效圓二向色性。通過太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)測試樣品的圓二向色性光譜，結(jié)果與模擬結(jié)果吻合良好。此外，通過可視化天津大學(xué)由手性對(duì)映體組成的字母，展示了可調(diào)節(jié)自旋依賴傳輸圖像顯示的潛在應(yīng)用可能性，作為元表面的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

2.結(jié)果與討論

如圖la所示，本文采用全硅手性元原子實(shí)現(xiàn)了對(duì)圓極化的非對(duì)稱透射。高阻硅的介電常數(shù)ε=11.9。硅柱高度為160um，晶格常數(shù)為150um，保證了高衍射的產(chǎn)生。其他參數(shù)分別設(shè)置為w1=20um，li=30um，w2=60um硅因其折射率大，抑制場能力強(qiáng)，在太赫茲波段吸收損耗低而被選中。利用CST微波工作室模擬了手性亞原子的傳輸振幅和相移。利用時(shí)域求解器，在x方向和y方向施加周期性邊界條件，在z方向施加開邊界條件。以x偏振和y偏振平面波為入射波，分別模擬了x偏振方向和y偏散方向的透射場。圓極化基和線極化基之間的透射系數(shù)關(guān)系可表示為:

其中，第一個(gè)(第二個(gè))子索引表示傳輸(入射)波的偏振狀態(tài)，“”和“R”分別對(duì)應(yīng)左旋圓極化波和右旋圓極化波。

在這里，我們將圖La中的結(jié)構(gòu)標(biāo)記為對(duì)映體A。通過方程1將線性偏振的透射系數(shù)轉(zhuǎn)換為圓極化基，從而獲得該元原子的圓極化透射系數(shù)，如圖1b所示。可以看出，在左旋偏振光入射時(shí)，總透射率遠(yuǎn)高于右旋偏振光入射時(shí)的透射率。這里，左旋偏振和右旋偏振入射時(shí)的總透射率分別表示為TL=IT2+TR】2,TR=ITRR2+TLRI2。圖1c顯示了對(duì)映體A的鏡狀結(jié)構(gòu)的圓極化透射系數(shù)，該結(jié)構(gòu)被標(biāo)記為對(duì)映體B。與圖1b相比，對(duì)映體B的透射系數(shù)與對(duì)映體A的相反。透射圓二色性被定義為TCD=TL-TR。這兩個(gè)對(duì)映體的圓二色性光譜如圖1d所示。對(duì)映體A的圓二色性在1.2太赫茲處達(dá)到最大值，即0.33。值得一提的是，由于高阻硅的反射損耗，初始最大透射系數(shù)約為0.7，而偏振轉(zhuǎn)換效率約為67%。對(duì)映體B具有與對(duì)映體A完全相反的圓二色性光譜。

圖1。平面手性元原子及其模擬結(jié)果。(a)手性中間體的示意圖和結(jié)構(gòu)參數(shù)，w1=20um11=30um，W2=60um。(b)對(duì)映體A的圓極化透射系數(shù)(c)對(duì)映體的圓極化透射系數(shù)對(duì)映體B的透射系數(shù)。(d)對(duì)映體A和B的圓二色譜。

3.結(jié)論

總之，我們提出了一種全硅手性超表面，可以在太赫茲波段產(chǎn)生高效的圓二色性從而實(shí)現(xiàn)圓極化波的非對(duì)稱透射。研究了被提議的超表面的靜態(tài)圓二色性和動(dòng)態(tài)手征行為，這些行為通過光學(xué)泵浦(1064nm)進(jìn)行調(diào)節(jié)。得到了一個(gè)巨大的調(diào)幅度深度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好。通過調(diào)整硅的導(dǎo)電性來實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)的切換。這種方法在諸如圓偏振光探測器和手性傳感器等光子自旋選擇性器件中具有廣泛的應(yīng)用前景。

資料來源：達(dá)索官方