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光學工程
非手性超表面實現可控旋光

旋光是指線偏振光經過旋光介質后,偏振方向以光傳播方向為軸發生一定角度偏轉的現象。實現對旋光度大小直接、靈活的控制具有很高的應用價值,例如,在生物醫學領域可通過測量旋光度的變化來探測腫瘤細胞濃度。

然而傳統方法中,旋光現象大多依靠材料或結構對于左、右旋圓偏光具有不同的折射率來實現,材料和結構的固有特性決定了對旋光度很難作定量調節。

人工微結構超表面對光偏振態和相位的操控具有非常高的自由度。與傳統光學器件相比,這種超表面結構具有更加豐富的光學性質,在超分辨成像、平面透鏡、全息等領域有著非常好的發展前景。人工微結構的提出,也為實現可控旋光提供了新的可能性。但是,先前的工作都是通過手性人工微結構實現旋光效應。

近日,南開大學物理科學學院陳樹琪副教授和田建國教授提出一種新的理論機制,實現了基于非手性十字鏤空超表面結構的線偏光旋光器件,并通過理論和實驗證明了這種旋光現象的連續可調控性以及寬帶特性。相關研究成果發表在Light: Science & Applications [5, e16096 (2016)]上。自然出版集團在這篇文章公開發表的同時,在其Research Summary專欄上刊出了一篇關于它的介紹文章,對該成果給予了高度評價。

圖1 非手性超表面實現可控旋光過程示意圖。

該研究成果提供了一種利用非手性超表面直接操控光相位來產生可控旋光現象的方法。如圖1所示,入射光波在經過兩個相鄰的超表面十字鏤空單元后,將在近場產生旋性相反的兩種圓偏振透射光;通過設計結構單元的尺寸可以有效控制兩種偏振光的相位差;利用近場干涉作用,便可以在遠場實現出射光波的任意大小的可控旋光。

相比于傳統的旋光方式,這種非手性超表面的旋光效應是基于一種全新的機制,并可以在寬波段上實現大小可控的旋光,對旋光效應在微納光學與光子學領域的相關應用具有重要意義。


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