手性（Chirality）是自然物体的基本性质之一，当物体无法通过旋转、平移等操作与其镜像体相重合时，该物体就具有手性。许多生理现象的产生都源于分子手性的精确识别与严格匹配，因此手性光谱检测在制药、食品监测、疾病检测等工业生产和生物医学方面有着重要的应用价值。天然材料通常由于其原子特征尺寸与光波长之间的巨大失配而表现出非常微弱的手性，极大地限制了其应用。在包括手性光生化传感、圆偏振光辐射等众多的手性光学应用中，高Q值的强手性响应对于其器件性能尤为重要。 

　　近年来，科学家们利用了连续域束缚态，即嵌入在辐射连续谱中的局域态，通过打破面内或者面外对称性在实验上实现了Q值分别高达1000和2000以上的手性准连续域束缚态，CD值接近1，这些成果使得准连续域束缚态成为了实现高Q值手性超表面的一种重要手段。然而，一方面，手性准连续域束缚态对实验加工要求苛刻，微小的加工误差将会导致Q值或CD快速降低，特别是后者为了获得破纪录的Q值，采用了一种更高难度的加工手段-微小倾斜角度的梯形孔来打破面外对称性，这些苛刻的加工条件限制了高Q值强手性超表面的实验实现。另一方面，强手性要求结构具有较大的不对称性，高Q值准连续域束缚态要求结构的不对称性尽可能小，这种内在的矛盾是设计高Q值强手性超表面所面临的一大难题。  

　　10月16日，国际知名光学期刊Laser & Photonics Reviews（《激光与光子学评论》，中科院一区，影响因子：11.0）正式发表了中国科学院深圳先进技术研究院集成所李光元团队的最新研究成果High-Q and Strong Chiroptical Responses in Planar Metasurfaces Empowered by Mie Surface Lattice Resonances。研究团队发现，在表面晶格共振模式中，利用x和y方向的不等周期可以诱导产生强手性，同时保持非常高的Q值，并在实验中获得了Q值高达1220、圆二色值达到0.37的手性表面晶格模式。这打破了手性表面晶格共振的纪录，实验Q值数倍于于基于准连续域束缚态的本征平面手性，结合表面晶格共振的场增强特性，有望推动手性超表面在手性传感、圆偏光产生和检测、光场调控等领域的应用发展。    

　　本文中，作者研究了在保持纳米结构镜面对称的前提下，通过固定y方向周期P_y，改变x方向周期P_x，来打破了单元整体的镜面对称，从而诱导出平面手性。仿真结果表明，波长为1.44微米附近的表面晶格共振模式通过不等周期诱导出了强手性，仿真Q值达到1700，圆二色值达到0.86。作者发现，这种手性模式的瑞利衍射波长，这与线偏振模式的瑞利波长有区别。  

　　本研究采用常规的微纳加工工艺，制备了一系列不同周期、高度为300纳米的等臂长“L”字形硅柱，实验测量结果与仿真结果非常吻合，波长1.44微米附近的窄峰通过不等周期诱导产生了手性。当P_x=P_y时，透射谱没有手性，当P_x=/P_y时，透射谱具有明显的手性，最大圆二色值达到0.37，此时Q值高达1220。研究发现，P_x>P_y和P_x<P_y时圆二色值的正负发生了反转，这意味着利用周期可以实现圆二色性的调控。  

　　研究人员进一步研究了等周期时该结构在斜入射下的外在手性，仿真与实验结果表明，当斜入射角度为0.5 时，波长为1.35微米附近的窄峰模式具有更强的手性，其圆二色值为0.7，同时Q值达到872，此时瑞利衍射波长，如图3(a)所示。 

　　该研究中，深圳先进院集成所副研究员李光元为论文通讯作者，助理研究员罗小青为论文第一作者，深圳先进院为该研究第一单位。本研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、广东省自然科学基金项目面上项目和深圳市基础研究重点项目的资助，以及深圳市优峰通信技术有限公司的帮助。

图1. a) 右旋圆偏振光透射谱。b) 左旋圆偏振光透射谱。c) CD谱。

图2. a) 超表面的扫描电子显微镜图。b) 圆偏振光的透射谱的仿真与实验结果。c) 圆二色谱的仿真与实验结果。

图3. a) 右旋圆偏振光透射谱。b) 左旋圆偏振光透射谱。c) CD谱。

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