近日，哈尔滨工业大学深圳校区宋清海教授团队在高纯度超集成手性光源领域取得重要突破，利用手性准连续域束缚态（bound states in the continuum, BICs）实现了从自发辐射到激光的高纯度、高方向性与高Q值圆偏振光发射。9月9日，研究成果以《谐振超表面手性辐射》（Chiral emission from resonant metasurfaces）为题发表在《科学》（Science）上。
超集成的圆偏振光源是经典光学与量子光学信息处理的重要组成部分。这一领域的发展主要依赖于手性材料与手性光学腔的进展，传统方式实现的圆偏振辐射一般具有宽带和非相干的特性，同时具有辐射角度大、圆偏振度低的缺点，由于传统方式较低的效率以及多偏振与多方向辐射带来的能量浪费，限制了其实际应用价值。虽然具有高圆偏振度和方向性的手性激光器此前有相关报道，但是高纯度的圆偏振辐射仅能保持在一定功率范围内，并且在激光阈值以下时，辐射的圆偏振度急剧下降。因此，还没有方案能够同时实现高圆偏振度的自发辐射与激光。
来自深圳校区和澳大利亚国立大学的研究者利用手性准BICs的物理特性，通过谐振超表面实现了高效可控的高纯度圆偏振辐射。
BICs在动量空间具有整数倍拓扑荷的偏振奇点，并且理论上具有无限高的Q值，因此被广泛应用于非线性光学、激光等领域。通过引入平面内的非对称性，BICs模式会退化为准BICs模式，但是依然具有很高的Q值。有趣的是，在引入面内非对称性时，BICs的偏振奇点会劈裂为两个具有半整数拓扑荷的偏振奇点，并且对称分布在动量空间。这两个偏振奇点分别对应于左旋和右旋圆偏振态，通常将这两个点定义为C点。
在C点处，某一种圆偏振光可以耦合到纳米结构中，产生急剧的电磁场增强，而另一种圆偏振光与结构完全解耦，并完美的透过纳米结构，这种性质广为人知，但其在控制辐射领域鲜有利用。这主要是因为C点通常远离光子晶体能带的高对称点（Gamma点），导致其Q值很低，难以用来产生激光。
为了实现高纯度的手性光辐射，可以通过调控C点至局域态密度的最强点，如将C点移动到Gamma点，手性准BICs的Q值也可以达到最大值。根据费米黄金定则，此时某一圆偏振的辐射被极大增强，而另一种圆偏振的辐射被抑制，并且Q值和自发辐射率都会随着角度的增加而迅速降低，因此在Gamma点附近可以实现高纯度和方向性的圆偏振光出射。
控制C点在动量空间的位置与最大化的固有手性密切相关，从原理上讲，可以通过同时打破面内和面外的镜面对称实现手性。因此在此研究中，研究人员在打破面内对称性的同时引入了一种面外的非对称，即结构的倾斜。对于每个固定的面内不对称量，都有一个相应的面外不对称量可以实现将C点移动到Gamma点，并且在面内不对称度较小时，面内和面外的不对称量保持线性关系，可以非常容易的实现最大的固有手性。
实验中，研究者通过倾斜反应离子刻蚀工艺制备了超表面，并对其进行了表征，成功实现了圆偏振度为0.98，远场发散角为1.06度的手性发射，并且由于该圆偏振光源是通过控制动量空间中的C点与局域态密度来实现的，所以手性辐射与泵浦功率无关，因此可以实现从自发辐射到激光的高纯度、高Q值与高方向性圆偏振光出射。
“与传统方式相比，手性准BICs提供了一种全新的方案，在无需自旋注入的情况下即可实现控制自发辐射和激光的光谱、远场以及自旋角动量。”宋清海教授介绍说，这种方法可以改善当前手性光源的设计并促进其在光子系统与量子系统中的应用。
该论文第一作者为深圳校区博士生张旭东，由我校与澳大利亚国立大学合作完成，第一完成单位为我校，通讯作者为深圳校区宋清海教授与澳大利亚国立大学尤里·基夫沙尔教授。该项研究得到了国家自然科学基金委、科技部、深圳市科创委、微纳光电信息系统理论与技术工信部重点实验室、鹏城实验室、极端光学协同创新中心等单位的支持。
谐振超表面的高纯度圆偏振自发辐射与激光，其辐射的圆偏振度接近
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7870
