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西安交大張留洋老師課題組:3D打印的反射式手性超表面

更新時間:2022-10-17點擊次數(shù):765

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手性是一種有趣的幾何概念,指物體不能通過平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等變換與其鏡像重合的特性,其應(yīng)用范圍涉及光學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、醫(yī)藥和生命科學(xué)等領(lǐng)域。在光學(xué)領(lǐng)域,當(dāng)手性介質(zhì)被不同旋向的圓極化光激發(fā)時,表現(xiàn)出不同的手性光學(xué)效應(yīng):當(dāng)左旋圓極化 (LCP) 光和右旋圓極化 (RCP) 光經(jīng)過手性介質(zhì)后的透射率或反射率不同,從而顯示出圓二色性(Circular dichroism, CD);若這兩種光在手性介質(zhì)中的折射率不同,導(dǎo)致透射光相比于入射光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn),則顯示出旋光性(Optical activity, OA)。盡管光學(xué)手性在自然界中無處不在,但天然材料中的手性響應(yīng)極其微弱,且難以靈活控制,這嚴(yán)重阻礙了極化相關(guān)器件的微型化和集成化應(yīng)用。由于具有比自然材料高幾個數(shù)量級的手性光學(xué)響應(yīng),由人工設(shè)計的亞波長單元結(jié)構(gòu)陣列構(gòu)成的手性超材料/超表面為實現(xiàn)可控手性光學(xué)響應(yīng)提供了一條途徑。然而,盡管常見多層手性超表面具有很強的本征光學(xué)手性,但其設(shè)計過程相對復(fù)雜,且加工所需的多步光刻工藝存在技術(shù)要求和加工成本高的問題。


近日,西安交通大學(xué)張留洋老師課題組提出了一種反射式手性超表面的簡單、通用的設(shè)計方法及其低成本、無光刻的制備策略,該工作與深圳大學(xué)范殊婷老師課題組合作完成。通過結(jié)合新型微立體光刻技術(shù)實現(xiàn)了手性超表面的3D打印,實驗測試結(jié)果驗證了手性響應(yīng)機理的準(zhǔn)確性相關(guān)成果以“Chiral Metasurfaces with Maximum Circular Dichroism Enabled by Out-of-Plane Plasmonic System"為題發(fā)表于國際期刊Laser & Photonics Reviews上, 影響因子10.9。



 


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圖1. 反射式手性超表面通用設(shè)計流程示意圖


對于任意的諧振器,跟隨提出的通用設(shè)計流程,僅需簡單兩步即可打破其n重旋轉(zhuǎn)對稱性(n > 1)和鏡像對稱性,從而獲得一個具有面外形態(tài)的反射式手性超表面。以工作于太赫茲頻段的U型手性超表面為例,其圓極化反射譜和圓二色性譜如圖2所示。不同的面外形態(tài)方向,可獲得具有相反手性響應(yīng)的對映體A和B。


 


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圖2. 基于U型共振器的太赫茲手性超表面及其手性響應(yīng)


通過調(diào)控超表面的偏置高度可實現(xiàn)對其損耗的調(diào)控,根據(jù)耦合模理論可知,當(dāng)其輻射損耗等于耗散損耗時,此時一種圓極化波被近完.美的選擇性吸收,而另一種圓極化波被非共振地反射,從而可獲得最.強的圓二色性值(圖3(d))。


 


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圖3. U型太赫茲手性超表面圓極化反射譜和圓二色性譜


通過結(jié)合微尺度3D打印技術(shù),提出的手性超表面可由簡單的三步工藝制備得到。其中,周期性陣列的面外形態(tài)結(jié)構(gòu)采用面投影微立體光刻3D打印技術(shù)(nanoArch S130,摩方精密)加工得到。實驗結(jié)果表明:得益于高精度的微尺度3D打印技術(shù),加工得到的手性超表面具有良好的表面質(zhì)量和形狀精度,測試所得的太赫茲反射譜與圓二色性譜與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合。


 


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圖4. 太赫茲手性超表面制造策略及表征結(jié)果
 


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圖5. 太赫茲手性超表面實驗驗證