宽带强光学手性全介质平面手性超表面的观测研究

第一作者及单位
本研究的通讯作者为西安科技大学（Xi’an University of Science and Technology, XUST）安全科学与工程学院的Tian Ma，合作作者包括Yizu Zou、Wei Sang、Li Ma、Doudou Wang和Jun Li。研究成果发表于期刊《Optics & Laser Technology》2025年第184卷，文章编号112423。

学术背景

研究领域与动机
手性（chirality）是物体与其镜像无法通过旋转或平移重合的几何特性，在光学中表现为对左旋圆偏振光（LCP）和右旋圆偏振光（RCP）的差异性响应，如圆二色性（circular dichroism, CD）和圆偏振消光比（circular polarization extinction ratio, CPER）。传统天然手性材料的光学响应较弱，限制了其在量子光学、生物传感等领域的应用。近年来，超材料（metamaterials）和超表面（metasurfaces）通过亚波长结构设计实现了增强的手性响应，但宽带手性调控仍面临挑战。

研究目标
本研究旨在设计一种基于氧化铝陶瓷的全介质平面手性超表面，在太赫兹（terahertz, THz）波段实现宽带、高CD（>0.8）和高CPER（>12 dB）的手性响应，并通过实验验证其性能。

研究流程与方法

1. 结构设计与数值模拟
- 结构设计：超表面单元由非对称分裂十字谐振器（asymmetric split-cross resonator）组成，材料为低损耗的氧化铝陶瓷（Al₂O₃），通过错位参数（d）打破面内镜像对称性，保留C₂旋转对称性。单元周期为900 μm，高度300 μm，中心棒宽度150 μm，翼长250 μm。
- 数值模拟：采用CST Microwave Studio软件进行有限积分技术（finite integration technique）仿真，优化几何参数（d、w₀、w₁等），以最大化品质因数（FOM = ∑CD + ∑CPER）。目标频段为0.22–0.30 THz，最终优化参数为d=155 μm、h=320 μm。

2. 样品制备
- 工艺：采用皮秒激光直切技术（direct laser cutting, DLC）加工氧化铝陶瓷片，激光波长1064 nm，精度10 μm。受材料强度限制，实际样品将谐振器宽度增至180 μm，阵列规模为21×21单元（总面积20×20 mm²）。
- 挑战：加工误差导致结构非均匀性，可能影响性能。

3. 实验表征
- 系统：使用自建太赫兹时域光谱系统（THz-TDS），光源为1560 nm飞秒光纤激光器，通过线栅偏振器控制入射偏振态，测量线性偏振透射系数（Tₓₓ、Tᵧᵧ等），再通过琼斯矩阵（Jones matrix）重构圆偏振透射谱。

主要结果

1. 仿真结果
- 宽带手性响应：在0.235–0.295 THz频段内，交叉偏振透射率Tₗᵣ>0.87，而Tᵣₗ、Tₗₗ、Tᵣᵣ<0.05，平均CD>0.8，CPER>12 dB。峰值CD达0.97（0.289 THz），CPER达18.6 dB。
- 物理机制：多极子分解表明，磁四极子（MQ）对CD贡献最大，其与电偶极子（ED）等模式的干涉导致手性增强。

2. 实验结果
- 性能验证：实测CD峰值为0.89（0.273 THz），平均CD≈0.78（0.260–0.283 THz），CPER最高19.1 dB。频带缩窄（8.4% vs 仿真22.6%）归因于加工误差和有限阵列尺寸。

结论与意义

科学价值
- 首次实现了太赫兹波段全介质平面手性超表面的宽带强手性响应，为手性光调控提供了新思路。
- 通过多极子共振设计，阐明了磁四极子在增强手性中的关键作用。

应用前景
- 太赫兹器件：可用于圆偏振波前调制、手性显示和分子传感。
- 工艺优势：DLC技术简化了制备流程，克服了传统3D手性结构加工复杂的瓶颈。

研究亮点

1. 创新结构：非对称分裂十字设计结合氧化铝陶瓷，实现低损耗、宽带手性响应。
   
2. 多极子调控：首次通过磁四极子主导的共振机制解释太赫兹手性增强。
   
3. 工艺适配性：DLC技术为全介质超表面的实际应用提供可行方案。
   

补充说明
实验与仿真的差异提示未来需优化加工精度（如电子束光刻）以进一步提升性能。此外，该设计可扩展至红外或可见光波段，通过材料替换（如硅）实现多光谱应用。