近年來,鈮酸鋰單晶薄膜制備技術(shù)的突破極大地推動了鈮酸鋰晶體在光學超表面等微納光學器件中的重要應用。但是,鈮酸鋰晶體的高硬度和化學性質(zhì)不活潑等特性給微納加工帶來巨大挑戰(zhàn);另外,常規(guī)的光學超表面制備材料多局限于各向同性材料,而各向異性鈮酸鋰晶體的雙折射特性尚未在光學超表面領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)性探索。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心微加工實驗室李俊杰團隊長期聚焦于微納光子學器件加工、設(shè)計及功能集成方面的研究;近幾年,該團隊對鈮酸鋰納米光學展開了系統(tǒng)的研究,取得了一系列重要進展。首先,該團隊發(fā)展了多組分氣體協(xié)同刻蝕技術(shù),實現(xiàn)了鈮酸鋰納米結(jié)構(gòu)的可控加工 (圖a,Advanced Materials Technology 2024, 9, 2400318)。 基于該刻蝕技術(shù),團隊設(shè)計并加工出基于鈮酸鋰納米孔結(jié)構(gòu)的非線性超透鏡,實現(xiàn)了將近紅外光束頻率上轉(zhuǎn)換到紫外波段同時聚焦的功能(圖b,ACS Photonics 2025,doi.org/10.1021/acsphotonics.4c02259)。最近,該團隊發(fā)現(xiàn)了鈮酸鋰雙折射導致的新現(xiàn)象,即由非手性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生手性光學響應。
團隊建立了包含材料雙折射響應的雙模共振耦合波模型,并由此構(gòu)造了空間結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出非手性特征的鈮酸鋰納米結(jié)構(gòu)(圖c)。理論分析表明,當鈮酸鋰晶體的光軸旋轉(zhuǎn)到特定的角度時,雙折射導致結(jié)構(gòu)的鏡面對稱性破缺,兩個近簡并的共振態(tài)產(chǎn)生強耦合效應,其雜化共振模式表現(xiàn)出巨大的手性,產(chǎn)生接近1的圓二色信號。在實驗上,團隊采用自研的多組分氣體協(xié)同刻蝕技術(shù),成功加工出所設(shè)計的鈮酸鋰納米結(jié)構(gòu)(圖d),具備優(yōu)異的表面形貌光滑度和側(cè)壁陡直度。光譜測試結(jié)構(gòu)證實了理論預測的核心結(jié)果,測得的圓二色信號達到0.53。 鈮酸鋰的晶體結(jié)構(gòu)和所設(shè)計納米結(jié)構(gòu)均是非手性的,兩者結(jié)合能夠產(chǎn)生手性的光學響應,這一全新的現(xiàn)象將會啟發(fā)新鈮酸鋰光學器件的設(shè)計,在微納光學領(lǐng)域具有重要的科學意義。
研究成果以“Chiral Resonant Modes Induced by Intrinsic Birefringence in Lithium Niobate Metasurfaces” 為題發(fā)表在近期的?Physical Review Letters?2025, 134, 113802上,并入選了本期的Feature in Physics(物理亮點);美國物理學會《物理》雜志亮點欄目以“Birefringent Nanocubes Give Light a Circular Boost”為題撰寫了專題報道。該論文的第一作者為微加工實驗室的王博副研究員,通訊作者為李俊杰研究員和潘如豪副研究員,朱庭躍聯(lián)培碩士生、劉宇男碩士生和楊海方研究員參與了該工作。該工作受到了國家自然科學基金、科技部國家重點研發(fā)計劃、中國科學院和懷柔綜合極端條件實驗裝置的支持。
文章鏈接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.113802


圖:a 鈮酸鋰納米結(jié)構(gòu)加工工藝;b 非線性超透鏡;c,d鈮酸鋰手性超表面理論設(shè)計和實驗結(jié)果