科学家成功从谐振金属表面高效并可控地发射了圆偏振光

它们的实际应用受到了低效率和能源浪费及不希望出现的手性和发射方向的限制。手性微激光器可以有大的DOP和定向输出，但只在特定的功率范围内。最重要的是，它们的亚阈值性能明显下降。到目前为止，能同时控制手性自发发射和手性激光的策略仍没有。

在日前发表在《科学》上的一篇新论文中，来自哈尔滨工业大学和澳大利亚国立大学的研究人员采用了连续体中的光学束缚态(BICs)的物理学原理并证明了从谐振元表面高效和可控地发射圆偏振光。

在动量空间具有整数拓扑电荷的BICs和理论上无限大的Q因子已经被研究了许多应用，包括非线性光学和发光。通过引入面内不对称性，BICs变成了具有有限但仍很高的Q因子的准BICs。有趣的是，BICs模式的整数拓扑电荷会分裂成两个半整数电荷，它们在动量空间中对称分布，对应于左手和右手的圆偏振态，也被称为C点。

在C点，具有一个圆偏振态的入射光可以被耦合到纳米结构中并产生急剧增强的局部电磁场。另一个偏振态则被解耦并得到几乎完美的传输。虽然这种特性是众所周知的，但很少应用于光发射。“这主要是因为C点通常偏离了带底。它们的Q因子相对较低，不能被激发出发光的动作，”Zhang说道。

为了实现手性光发射，一个关键步骤是将局部状态密度跟C点的内在手性相结合。如果一个C点被移到带子的底部，那么相应的手性准BIC的Q因子可以达到最大。根据费米的黄金法则，一个圆偏振自发发射的辐射率会增强，而另一个偏振则被抑制。Q因子和辐射率都随着发射角度的增加而急剧减少。因此，在G点附近可以期待高纯度和高方向性的光发射。

“当然，另一个C点可以支持类似的高手性，具有相反的手性。然而，该点也偏离了最大的Q因子，较少被增强。因此，我们的元表面只产生一个围绕法线方向的高方向性的近乎统一的圆形极化，"张说。

动量空间中C点的控制跟法线方向上啁啾性的最大化密切相关。原则上，手性的实现跟同时打破平面内和平面外的镜面反射对称性有关。在这项研究中，科学家们引入了一种面外不对称性，即纳米结构的倾斜。对于一个平面内的不对称性有一个平面外的不对称性，它可以将一个C点移动到G点。

在实验中，研究人员利用一步到位的斜面活性离子蚀刻工艺制造了元表面，另外还对发射进行了表征。在纳秒激光的激发下，他们成功地证明了手性发射的DOP为0.98，远场发散角为1.06度。“我们的圆形光源是通过控制动量空间的C点和局部状态密度实现的。它跟激发功率无关，这就是我们能实现从自发发射到发光的高Q值、高方向性和高纯度的圆偏振发射的原因，”Zhang解说道。

跟传统方法相比，手性准BIC提供了一种能同时修改和控制光致发光和发光的辐射模式、光谱和自旋角动量的方法而无需任何自旋注入。这种方法可能会改善目前手性光源的设计并促进其在光子和量子系统中的实际应用。