西安交大張留洋老師課題組：3D打印的反射式手性超表面

手性是一種有趣的幾何概念，指物體不能通過平移、旋轉和縮放等變換與其鏡像重合的特性，其應用范圍涉及光學、生物學、化學、醫藥和生命科學等領域。在光學領域，當手性介質被不同旋向的圓極化光激發時，表現出不同的手性光學效應：當左旋圓極化 (LCP) 光和右旋圓極化 (RCP) 光經過手性介質后的透射率或反射率不同，從而顯示出圓二色性（Circular dichroism, CD)；若這兩種光在手性介質中的折射率不同，導致透射光相比于入射光的偏振面發生旋轉，則顯示出旋光性（Optical activity, OA）。盡管光學手性在自然界中無處不在，但天然材料中的手性響應極其微弱，且難以靈活控制，這嚴重阻礙了極化相關器件的微型化和集成化應用。由于具有比自然材料高幾個數量級的手性光學響應，由人工設計的亞波長單元結構陣列構成的手性超材料/超表面為實現可控手性光學響應提供了一條途徑。然而，盡管常見多層手性超表面具有很強的本征光學手性，但其設計過程相對復雜，且加工所需的多步光刻工藝存在技術要求和加工成本高的問題。

近日，西安交通大學張留洋老師課題組提出了一種反射式手性超表面的簡單、通用的設計方法及其低成本、無光刻的制備策略，該工作與深圳大學范殊婷老師課題組合作完成。通過結合新型微立體光刻技術實現了手性超表面的3D打印，實驗測試結果驗證了手性響應機理的準確性相關成果以“Chiral Metasurfaces with Maximum Circular Dichroism Enabled by Out-of-Plane Plasmonic System"為題發表于國際期刊Laser & Photonics Reviews上, 影響因子10.9。

對于任意的諧振器，跟隨提出的通用設計流程，僅需簡單兩步即可打破其n重旋轉對稱性（n > 1）和鏡像對稱性，從而獲得一個具有面外形態的反射式手性超表面。以工作于太赫茲頻段的U型手性超表面為例，其圓極化反射譜和圓二色性譜如圖2所示。不同的面外形態方向，可獲得具有相反手性響應的對映體A和B。

通過調控超表面的偏置高度可實現對其損耗的調控，根據耦合模理論可知，當其輻射損耗等于耗散損耗時，此時一種圓極化波被近完.美的選擇性吸收，而另一種圓極化波被非共振地反射，從而可獲得最.強的圓二色性值(圖3(d))。

通過結合微尺度3D打印技術，提出的手性超表面可由簡單的三步工藝制備得到。其中，周期性陣列的面外形態結構采用面投影微立體光刻3D打印技術（nanoArch S130，摩方精密）加工得到。實驗結果表明：得益于高精度的微尺度3D打印技術，加工得到的手性超表面具有良好的表面質量和形狀精度，測試所得的太赫茲反射譜與圓二色性譜與數值模擬結果較為吻合。