强耦合实现手性激光发射：突破传统限制，开拓新型光场调控

《SCIENCE ADVANCES》：Chiral lasing enabled by strong coupling

在纳米光子学领域，为解决传统手性准束缚态在连续体（quasi - BIC）激光受限于动量空间特定位置的问题，研究人员开展手性超表面中两个共振耦合的研究。结果发现特定条件下可构建高 Q 值手性准 BIC，实现高纯度手性发射。该成果为手性光源构建提供新途径。

　　在现代光学领域，光的操控就像一场神奇的魔法，科学家们致力于通过各种方式让光按照人们的意愿 “翩翩起舞”。纳米光子学的发展为光的精准控制带来了新的希望，尤其是在构建高性能光学器件方面，对光在人工纳米结构中的定位和操控成为关键课题。

在众多光学现象中，束缚态在连续体（Bound state in the continuum，BIC）引起了广泛关注。它就像一个光学陷阱，能通过远场相消干涉将光长时间捕获在纳米结构中，显著增强光与物质的相互作用，为纳米器件和光子集成电路的发展带来变革。而手性准 BICs，作为 BIC 的 “特殊变体”，凭借其独特的光谱和自旋相关辐射特性，成为近年来的研究热点。它能通过选择性增强或抑制手性局域态密度（local density of states，LDOS），实现高纯度手性发射和大的非线性手性，在光通信、信息处理等领域展现出巨大的应用潜力。

然而，传统的手性准 BICs 的构建方式存在局限性。它们大多通过扰动对称性保护的 BICs 来实现，这使得其在动量空间中的位置受到限制，只能在靠近 Γ 点附近出现，严重阻碍了其实际应用。与此同时，另一种手性现象 —— 超手性场也吸引了众多研究者的目光。超手性场的光学手性可通过特定条件大幅增强，但在操纵辐射的手性方面仍面临挑战，主要是因为近场手性与圆二色性（Circular Dichroism，CD）之间的不一致。

为了突破这些限制，来自未知研究机构的研究人员开展了一项关于手性超表面中两个共振耦合的研究。他们发现，在精心设计的手性超表面中，两个具有近正交偏振的共振能够强烈耦合。这种耦合不仅可以调节混合模式的偏振状态，还能通过共振的固有相位差，实现对混合模式的品质因子（Quality Factor，Q）和手性的调控，从而构建出具有高 Q 值和最大化 CD 的手性准 BIC，实现高纯度的手性发射。这一研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为手性光源的构建和应用开辟了新的方向。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：

1. 数值模拟：利用有限元方法的商业软件（COMSOL Multiphysics）的射频模块，计算光子晶体结构的复本征频率（ω），并通过设定周期性边界条件和完美匹配层，模拟无限大周期纳米结构和吸收出射波，进而计算 Q 值和获取远场辐射。
2. 样品制备：采用电子束光刻（EBL）和反应离子刻蚀相结合的方法制备 Si₃N₄纳米结构，再通过旋涂法制备掺杂染料的 PMMA 层。
3. 光学表征：搭建两种自制的光学显微镜系统，分别用于测量透射光谱和角分辨发射光谱。

研究结果：

1. 理论分析与模型构建：在非厄米系统中，基于耦合模理论，研究人员建立了描述 TE（横向电）和 TM（横向磁）共振相互作用的模型。通过分析发现，混合模式的偏振状态可通过调节未耦合模式的偏振状态及其远场相位差来控制。在特定条件下，如当∣V(1)∣∣V(2)∣?=γ2?γ1??且δ=Δβ（Δβ=β2??β1?）时，可产生手性态（S3?=1），同时模式相互作用还能调节混合模式的衰减率，提高 Q 值。
2. 数值模拟验证：研究人员设计了一种由方形晶格周期性纳米结构组成的超表面，通过改变结构参数（如旋转角度φ和分离角度θ）进行数值模拟。结果表明，随着φ的变化，TE₀和 TM₀共振的本征频率实部和虚部发生变化，在φ=20.5°附近出现反交叉现象，同时场分布发生明显交换，验证了两个准 BIC 之间的强耦合。在此过程中，近场手性增强因子达到 350，一个模式的斯托克斯参数S3?增大并在反交叉点附近达到最大值 1，Q 值达到 13000，首次通过强耦合构建出手性准 BIC。
3. 实验验证：
   • 样品制备与表征：研究人员按照数值模拟的设计，制备了超表面样品，并通过扫描电子显微镜（SEM）对其结构进行表征，结果显示样品结构参数与设计相符。利用自制显微镜系统对样品进行光学表征，在透射光谱中观察到特定波长下的手性响应，计算得到高 Q 值手性共振的 CD = 0.98，Q = 2100。
   • 光致发光测试：用 520nm 连续波激光泵浦超表面，测量其角分辨发射光谱。结果表明，在不同角度下，模式呈现出手性响应，在反交叉点附近 CD 值高达 0.929 - 0.936，证实了强耦合诱导的手性准 BIC 具有普遍性和灵活性。
   • 激光特性研究：用 532nm 倍频 Nd:YAG 激光泵浦超表面，当泵浦通量增加到 135μJ/cm²时，实现了激光发射。激光发射主要由左旋圆偏振（LCP）分量主导，CD 值在激光阈值附近接近 1，随着泵浦通量进一步增加，CD 值略有下降，但在增益饱和时仍高达 0.94。
   
   

研究结论与讨论：
研究人员成功展示了一种在介电超表面中构建高 Q 值手性准 BIC 共振的通用方法。与传统控制面内和面外不对称性的方法不同，该研究揭示了光学共振之间的相互作用能够同时调节 Q 值和 CD，实现手性准 BIC 共振、高纯度手性光致发光和手性激光发射。由于模式相互作用在纳米结构中的普遍性，该机制不受对称性保护的 BIC 和动量空间中 Γ 点附近的限制，可扩展到任意方向，为高纯度手性光源的构建及其应用提供了新的自由度。此外，非厄米系统中的其他现象，如宇称 - 时间对称性，也可用于构建手性激光，为该领域的进一步研究提供了新的思路。这一研究成果在光学通信、信息处理、生物传感等多个领域具有潜在的应用价值，有望推动相关领域的技术进步。