手性是一種有趣的幾何概念，指物體不能通過平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等變換與其鏡像重合的特性，其應(yīng)用范圍涉及光學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、醫(yī)藥和生命科學(xué)等領(lǐng)域。在光學(xué)領(lǐng)域，當(dāng)手性介質(zhì)被不同旋向的圓極化光激發(fā)時，表現(xiàn)出不同的手性光學(xué)效應(yīng)：當(dāng)左旋圓極化 (LCP) 光和右旋圓極化 (RCP) 光經(jīng)過手性介質(zhì)后的透射率或反射率不同，從而顯示出圓二色性（Circular dichroism, CD)；若這兩種光在手性介質(zhì)中的折射率不同，導(dǎo)致透射光相比于入射光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，則顯示出旋光性（Optical activity, OA）。盡管光學(xué)手性在自然界中無處不在，但天然材料中的手性響應(yīng)極其微弱，且難以靈活控制，這嚴重阻礙了極化相關(guān)器件的微型化和集成化應(yīng)用。由于具有比自然材料高幾個數(shù)量級的手性光學(xué)響應(yīng)，由人工設(shè)計的亞波長單元結(jié)構(gòu)陣列構(gòu)成的手性超材料/超表面為實現(xiàn)可控手性光學(xué)響應(yīng)提供了一條途徑。然而，盡管常見多層手性超表面具有很強的本征光學(xué)手性，但其設(shè)計過程相對復(fù)雜，且加工所需的多步光刻工藝存在技術(shù)要求和加工成本高的問題。
近日，西安交通大學(xué)張留洋老師課題組提出了一種反射式手性超表面的簡單、通用的設(shè)計方法及其低成本、無光刻的制備策略，該工作與深圳大學(xué)范殊婷老師課題組合作完成。通過結(jié)合新型微立體光刻技術(shù)實現(xiàn)了手性超表面的3D打印，實驗測試結(jié)果驗證了手性響應(yīng)機理的準(zhǔn)確性相關(guān)成果以“Chiral Metasurfaces with Maximum Circular Dichroism Enabled by Out-of-Plane Plasmonic System"為題發(fā)表于國際期刊Laser & Photonics Reviews上, 影響因子10.9。
對于任意的諧振器，跟隨提出的通用設(shè)計流程，僅需簡單兩步即可打破其n重旋轉(zhuǎn)對稱性（n > 1）和鏡像對稱性，從而獲得一個具有面外形態(tài)的反射式手性超表面。以工作于太赫茲頻段的U型手性超表面為例，其圓極化反射譜和圓二色性譜如圖2所示。不同的面外形態(tài)方向，可獲得具有相反手性響應(yīng)的對映體A和B。
通過調(diào)控超表面的偏置高度可實現(xiàn)對其損耗的調(diào)控，根據(jù)耦合模理論可知，當(dāng)其輻射損耗等于耗散損耗時，此時一種圓極化波被近完.美的選擇性吸收，而另一種圓極化波被非共振地反射，從而可獲得最.強的圓二色性值(圖3(d))。
通過結(jié)合微尺度3D打印技術(shù)，提出的手性超表面可由簡單的三步工藝制備得到。其中，周期性陣列的面外形態(tài)結(jié)構(gòu)采用面投影微立體光刻3D打印技術(shù)（nanoArch S130，摩方精密）加工得到。實驗結(jié)果表明：得益于高精度的微尺度3D打印技術(shù)，加工得到的手性超表面具有良好的表面質(zhì)量和形狀精度，測試所得的太赫茲反射譜與圓二色性譜與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合。
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