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光学工程
非手性超表面实现可控旋光

旋光是指线偏振光经过旋光介质后,偏振方向以光传播方向为轴发生一定角度偏转的现象。实现对旋光度大小直接、灵活的控制具有很高的应用价值,例如,在生物医学领域可通过测量旋光度的变化来探测肿瘤细胞浓度。

然而传统方法中,旋光现象大多依靠材料或结构对于左、右旋圆偏光具有不同的折射率来实现,材料和结构的固有特性决定了对旋光度很难作定量调节。

人工微结构超表面对光偏振态和相位的操控具有非常高的自由度。与传统光学器件相比,这种超表面结构具有更加丰富的光学性质,在超分辨成像、平面透镜、全息等领域有着非常好的发展前景。人工微结构的提出,也为实现可控旋光提供了新的可能性。但是,先前的工作都是通过手性人工微结构实现旋光效应。

近日,南开大学物理科学学院陈树琪副教授和田建国教授提出一种新的理论机制,实现了基于非手性十字镂空超表面结构的线偏光旋光器件,并通过理论和实验证明了这种旋光现象的连续可调控性以及宽带特性。相关研究成果发表在Light: Science & Applications [5, e16096 (2016)]上。自然出版集团在这篇文章公开发表的同时,在其Research Summary专栏上刊出了一篇关于它的介绍文章,对该成果给予了高度评价。

图1 非手性超表面实现可控旋光过程示意图。

该研究成果提供了一种利用非手性超表面直接操控光相位来产生可控旋光现象的方法。如图1所示,入射光波在经过两个相邻的超表面十字镂空单元后,将在近场产生旋性相反的两种圆偏振透射光;通过设计结构单元的尺寸可以有效控制两种偏振光的相位差;利用近场干涉作用,便可以在远场实现出射光波的任意大小的可控旋光。

相比于传统的旋光方式,这种非手性超表面的旋光效应是基于一种全新的机制,并可以在宽波段上实现大小可控的旋光,对旋光效应在微纳光学与光子学领域的相关应用具有重要意义。


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