【Science】强耦合手性准BIC驱动动量空间可编程高Q圆偏振激光——哈工大突破拓扑光子学新维度

背景

手性激光是纳米光子学领域的重要研究方向，其核心目标是通过人工微纳结构精准操控光的圆偏振特性，实现高纯度手性光发射。传统方法基于连续体中的束缚态（BIC），通过破坏结构对称性构造手性准BIC，但这些方法受限于动量空间中的Γ点附近，限制了实际应用的灵活性。此外，现有技术难以同时实现高Q因子（长寿命共振）与高圆二色性（CD），且近场超手性与远场辐射特性的一致性不足，进一步制约了器件性能。

研究成果

本研究提出了一种基于强耦合机制的新型手性准BIC设计方法，突破了传统对称性调控的局限性，主要成果如下：

理论创新

通过耦合TE和TM模式，构建非厄米哈密顿量模型，揭示强耦合条件下混合模式的偏振态与Q因子调控机制。

理论证明：当两正交偏振模式的辐射场相位差满足特定条件时，混合模式可达庞加莱球北极，实现完美圆偏振态。

结构设计与仿真验证

设计了一种硅基超表面，通过旋转纳米柱诱导TE与TM模式强耦合，观测到反交叉现象与场分布交换，验证模式混合效应。

仿真表明，混合模式的近场手性增强350倍，Q因子达13,000，且S3接近1，兼具高Q因子与高CD特性。

实验验证

制备的超表面在实验中获得高圆二色性（CD=0.98）与Q因子（2100），强耦合导致的频率排斥与Q因子交叉现象与理论预测一致。

角度分辨光致发光显示，手性发射可在任意动量方向实现（如偏离Γ点的±2°），突破了传统BIC的位置限制。

激光实验中，阈值泵浦功率为135 μJ/cm²，发射波长582.7 nm的LCP光纯度达94%，验证了高方向性手性激光的可行性。

图文速览

图 1.通过模式交互的手性准 BIC 激光。

(A） 设计的超表面手性激光发射示意图。（B） 晶格尺寸为 P = 339 nm 的一个晶胞的俯视图（上图）和侧视图（下）。每个晶胞包含两个相同的 Si3N4省略号Rl= 231 nm 且Rs= 110 nm。两个中心到中心距离为 170 nm 的椭圆以 θ = 20° 的角度隔开，并绕晶胞中心旋转φ的角度。在垂直方向上，Si3N4膜的厚度为 H = 267 nm，浅蚀刻深度为 190 nm。斯3N4纳米结构被厚度为 370 nm 的染料掺杂 PMMA 覆盖。（C 和 D） TE 的实部和虚部0和 TM0超表面中的模态与旋转角度φ的函数关系。实线是遵循耦合模态理论的拟合曲线。（E） （C） 上标记的参数处的模式分布，箭头表示电场的方向。（F） 辐射 S3来自两种模式的理论 （The.） 和模拟 （Sim.） 。

图 2.本征手性的透射光谱表征。

（A 和 B）φ = 20.5° 的超表面的俯视图和倾斜视图 SEM 图像。比例尺，300 nm。（C） 实验中相应的透射光谱 （Exp.） 及其拟合 （Fit.） 曲线。（D 到 F） 实验记录的不同旋转角度超构表面的谐振波长、Q 因子和 CD φ。相应的仿真结果显示为实线和虚线。（E） 中的两个 y 轴分别用于数值模拟（左、y 轴）和实验结果（右、y 轴）。a.u.，任意单位。

图 3.来自共振超表面的角度分辨光致发光。

（A） 实验测量的角度分辨 LCP 和 RCP 光致发光光谱。（B 到 D） LCP 和 RCP 光致发光的光谱以及围绕 （A） 中由垂直虚线标记的三个反交叉的拟合结果。（E） （A） 中相应的发射 CD。

图 4.圆偏振超表面发射激光器。

(A） 实验记录的 LCP（蓝色实线）和 RCP（红色虚线）发射光谱，泵通量为 135 μJ/cm2（顶部）和 195 μJ/cm2（底部）。（B） LCP（点）和 RCP（空心方）发射的积分强度与泵通量的关系。实心方块表示激光发射的相应 CD 值。（C） 泵浦通量为 195 μJ/cm 时实验记录的角度分辨 LCP（底部）和 RCP（顶部）激光光谱2.

总结

本研究通过强耦合机制实现了手性准BIC的普适性设计，解决了传统方法在动量空间限制和手性-Q因子权衡上的瓶颈，为高纯度、高方向性手性激光的实用化奠定了重要基础。

原文查看：Chiral lasing enabled by strong coupling | Science Advances

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