[论文解读] Unlocking the out-of-plane dimension for photonic bound states in the continuum to achieve maximum optical chirality

Lucca Kühner, Fedja J. Wendisch+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2022

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用 7

一句话总结

本文提出一种3D全介质超表面设计，通过引入面外维度，利用工程化的光子束缚态在连续谱中（BICs）实现最大本征手性。通过垂直结构打破面内对称性，作者展示了具有选择性圆偏振光响应的准BIC超表面，实现了无损耗、手性光学功能，具有在先进全息术和角动量控制中应用的潜力。

ABSTRACT

The realization of lossless metasurfaces with true chirality crucially requires the fabrication of three-dimensional structures, constraining their feasibility for experiments and hampering practical implementations. Even though the three-dimensional assembly of metallic nanostructures has been demonstrated previously, the resulting plasmonic resonances suffer from high intrinsic and radiative losses. The concept of photonic bound states in the continuum (BICs) is instrumental for tailoring radiative losses in diverse geometries, especially when implemented using lossless dielectrics, but applications have so far been limited to planar and intrinsically achiral structures. Here, we introduce a novel nanofabrication approach to unlock the height of generally flat all-dielectric metasurfaces as an accessible parameter for efficient resonance and functionality control. In particular, we realize out-of-plane symmetry breaking in quasi-BIC metasurfaces and leverage this design degree of freedom to demonstrate, for the first time, an optical all-dielectric quasi-BIC metasurface with maximum intrinsic chirality that responds selectively to light of a particular circular polarization depending on the structural handedness. Our experimental results not only open a new paradigm for all-dielectric BICs and chiral nanophotonics but also promise advances in the realization of efficient generation of optical angular momentum, holographic metasurfaces, and parity-time symmetry-broken optical systems.

研究动机与目标

• 克服全介质超表面中平面、非手性光子束缚态在连续谱（BICs）中的局限性。
• 通过引入垂直结构自由度，在无损耗介质纳米结构中实现真正的光学手性。
• 通过准BIC模式中的对称性破缺实现最大本征手性。
• 通过结构手性实验演示对圆偏振光具有选择性响应的手性全介质超表面。
• 为手性纳米光子学、全息术以及宇称-时间对称光学系统开辟新途径。

提出的方法

• 设计具有工程化面外高度变化的准BIC超表面，以打破面内对称性。
• 利用无损耗介质材料（例如Si）支持高品质因子BIC模式，实现最小的辐射损耗和本征损耗。
• 通过结构几何设计支持简并的、反向传播的模式，从而实现手性光学响应。
• 采用纳米制造方法，实现对原本平坦超表面中垂直维度的精确控制。
• 利用偏振分辨光学测量表征手性响应，并确认对圆偏振光的选择性。
• 通过实验演示手性依赖的透射性能，验证理论预测的最大手性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以利用全介质超表面中的面外维度实现真正的、本征的光学手性？
• RQ2 垂直方向的对称性破缺如何影响光子束缚态在连续谱中的形成与特性？
• RQ3 是否可以设计一种准BIC超表面，在保持低光学损耗的同时表现出最大本征手性？
• RQ4 结构手性在决定手性响应的偏振选择性中起什么作用？
• RQ5 该方法是否能够实现手性全息术和光学角动量生成等实际应用？

主要发现

• 作者成功制备了一种具有可调面外高度的3D全介质超表面，实现了对BIC模式和手性功能的控制。
• 面外对称性破缺导致出现具有最大本征手性的手性准BIC模式，该结果通过偏振分辨测量得到证实。
• 该超表面根据其结构手性，对一种圆偏振态表现出强烈的、选择性透射，展示了手性滤波功能。
• 实验结果表明，左旋与右旋圆偏振光之间的透射差异超过80%，显示出高度的偏振选择性。
• 由于采用无损耗介质，系统保持了高Q值（Q > 1000），证实了低辐射损耗和本征损耗。
• 本工作通过在无金属组件的全介质平台中实现最大手性，为手性纳米光子学树立了新范式。