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它們的實際應(yīng)用受到了低效率和能源浪費及不希望出現(xiàn)的手性和發(fā)射方向的限制。手性微激光器可以有大的DOP和定向輸出，但只在特定的功率范圍內(nèi)。最重要的是，它們的亞閾值性能明顯下降。到目前為止，能同時控制手性自發(fā)發(fā)射和手性激光的策略仍沒有。

在日前發(fā)表在《科學(xué)》上的一篇新論文中，來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)和澳大利亞國立大學(xué)的研究人員采用了連續(xù)體中的光學(xué)束縛態(tài)(BICs)的物理學(xué)原理并證明了從諧振元表面高效和可控地發(fā)射圓偏振光。

在動量空間具有整數(shù)拓?fù)潆姾傻腂ICs和理論上無限大的Q因子已經(jīng)被研究了許多應(yīng)用，包括非線性光學(xué)和發(fā)光。通過引入面內(nèi)不對稱性，BICs變成了具有有限但仍很高的Q因子的準(zhǔn)BICs。有趣的是，BICs模式的整數(shù)拓?fù)潆姾蓵至殉蓛蓚€半整數(shù)電荷，它們在動量空間中對稱分布，對應(yīng)于左手和右手的圓偏振態(tài)，也被稱為C點。

在C點，具有一個圓偏振態(tài)的入射光可以被耦合到納米結(jié)構(gòu)中并產(chǎn)生急劇增強的局部電磁場。另一個偏振態(tài)則被解耦并得到幾乎完美的傳輸。雖然這種特性是眾所周知的，但很少應(yīng)用于光發(fā)射。“這主要是因為C點通常偏離了帶底。它們的Q因子相對較低，不能被激發(fā)出發(fā)光的動作，”Zhang說道。

為了實現(xiàn)手性光發(fā)射，一個關(guān)鍵步驟是將局部狀態(tài)密度跟C點的內(nèi)在手性相結(jié)合。如果一個C點被移到帶子的底部，那么相應(yīng)的手性準(zhǔn)BIC的Q因子可以達(dá)到最大。根據(jù)費米的黃金法則，一個圓偏振自發(fā)發(fā)射的輻射率會增強，而另一個偏振則被抑制。Q因子和輻射率都隨著發(fā)射角度的增加而急劇減少。因此，在G點附近可以期待高純度和高方向性的光發(fā)射。

“當(dāng)然，另一個C點可以支持類似的高手性，具有相反的手性。然而，該點也偏離了最大的Q因子，較少被增強。因此，我們的元表面只產(chǎn)生一個圍繞法線方向的高方向性的近乎統(tǒng)一的圓形極化，"張說。

動量空間中C點的控制跟法線方向上啁啾性的最大化密切相關(guān)。原則上，手性的實現(xiàn)跟同時打破平面內(nèi)和平面外的鏡面反射對稱性有關(guān)。在這項研究中，科學(xué)家們引入了一種面外不對稱性，即納米結(jié)構(gòu)的傾斜。對于一個平面內(nèi)的不對稱性有一個平面外的不對稱性，它可以將一個C點移動到G點。

在實驗中，研究人員利用一步到位的斜面活性離子蝕刻工藝制造了元表面，另外還對發(fā)射進(jìn)行了表征。在納秒激光的激發(fā)下，他們成功地證明了手性發(fā)射的DOP為0.98，遠(yuǎn)場發(fā)散角為1.06度?！拔覀兊膱A形光源是通過控制動量空間的C點和局部狀態(tài)密度實現(xiàn)的。它跟激發(fā)功率無關(guān)，這就是我們能實現(xiàn)從自發(fā)發(fā)射到發(fā)光的高Q值、高方向性和高純度的圓偏振發(fā)射的原因，”Zhang解說道。

跟傳統(tǒng)方法相比，手性準(zhǔn)BIC提供了一種能同時修改和控制光致發(fā)光和發(fā)光的輻射模式、光譜和自旋角動量的方法而無需任何自旋注入。這種方法可能會改善目前手性光源的設(shè)計并促進(jìn)其在光子和量子系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。