本文介绍了一项关于太赫兹波段光学可调外禀手性（extrinsic chirality）的研究，该研究由天津大学精密仪器与光电子工程学院的Xuanruo Hao、Jie Li、Chenglong Zheng等作者共同完成，并于2022年发表在《Optics Communications》期刊上，文章编号为127554。该研究提出了一种基于近红外连续波控制的太赫兹波段外禀手性超表面（metasurface），并展示了其在外禀手性调控方面的创新性。
手性（chirality）是指物体与其镜像无法通过平移或旋转操作完全重合的特性。手性在自然界中广泛存在，例如螺旋结构和蛋白质分子，并在光学领域中被广泛应用，主要用于实现光学活性（optical activity）。光学活性主要包括圆双折射（circular birefringence）和圆二色性（circular dichroism, CD），这是由于左旋和右旋圆偏振光（LCP和RCP）在手性结构中的折射率差异引起的。
与自然手性相比，手性超材料（chiral metamaterials）能够实现更强的光学活性，因此在偏振控制、显示、成像等领域具有广泛的应用前景。外禀手性是指通过光的斜入射在非手性结构中产生的手性响应。自2008年Plum等人首次提出外禀手性概念以来，研究人员设计了多种外禀手性超表面结构，如U形、V形和反射型裂环谐振器等。然而，光学可调的外禀手性在太赫兹波段尚未被报道。因此，本研究旨在填补这一空白，提出一种基于近红外光调控的太赫兹外禀手性超表面。
本研究提出的超表面由硅基底和单层金属单元组成，其中硅基底作为光敏元件。通过近红外连续波（1064 nm）激发硅基底中的自由载流子，改变硅的电导率，从而调控太赫兹波的透射特性。超表面的结构设计如图1所示，金属层通过光刻技术制备，硅基底厚度为500 μm，金属层厚度为0.2 μm。在仿真中，为了减少太赫兹波的衰减，硅层厚度设置为12 μm。
研究通过数值模拟软件CST（Microwave Studio）进行仿真，边界条件设置为x和y方向的单元周期，z方向为开放空间。仿真结果表明，当太赫兹波以83度角入射时，透射圆二色性（CD）达到最大值0.58。通过改变入射角度和泵浦光功率，可以实现CD从0到0.58的连续调控。实验验证了仿真结果的趋势，表明该超表面具有简单结构和高效的光学可调性。
研究结果表明，外禀手性超表面具有对映体（enantiomers），即通过翻转超表面结构或改变入射方向可以实现相反的CD响应。仿真结果显示，对映体A和B的透射系数在交叉极化分量（𝑡−+和𝑡+−）上基本一致，而同极化分量（𝑡++和𝑡−−）则表现出显著差异。透射和反射CD的计算结果表明，对映体的CD响应相反，表明该超表面可用于制造显示功能器件。
此外，研究还探讨了入射角度对CD的影响。随着入射角度的增加，CD显著增加，但当角度超过临界值时，CD开始下降。在83度入射角时，CD达到最大值0.58。通过改变泵浦光功率，研究进一步验证了硅载流子层厚度对CD的影响。当载流子层厚度从2 μm增加到12 μm时，CD的调控效率从31.25%提高到48.82%，表明靠近金属谐振环的载流子层对CD的影响更大。
研究通过实验验证了仿真结果。使用太赫兹时域光谱（THz-TDS）测量了超表面的透射光谱，并通过四片偏振片确保测量的线性偏振时域信号的准确性。实验结果表明，随着入射角度的增加，CD显著增加，且在60度入射角时，CD随泵浦光功率的增加而减小，与仿真结果一致。
本研究提出了一种基于硅基底和单层金属单元的外禀手性超表面，通过近红外光调控实现了CD的主动调控。实验与仿真结果一致，验证了该超表面的有效性。研究还探讨了载流子层厚度和位置对CD的影响，并通过电场分布和表面电流模拟分析了手性产生的机制。该超表面在光学开关、光学显示和圆偏振探测器等领域具有广阔的应用前景。
本研究得到了中国国家自然科学基金（61675147、61735010、91838301）、国家重点研发计划（2017YFA0700202）和深圳市基础研究计划（JCYJ20170412154447469）的资助。作者声明无利益冲突。