超緊湊圓偏振光源是經典和量子光學信息處理應用的一個重要組成部分。這一領域的發展有賴於兩種技術的進步，即量子材料和手性光學腔體。傳統的圓極化光致發光方法的缺點包括非相干寬帶發射、有限的DOP和大輻射角。
它們的實際應用受到了低效率和能源浪費及不希望出現的手性和發射方向的限制。手性微激光器可以有大的DOP和定向輸出，但只在特定的功率範圍內。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發射和手性激光的策略仍沒有。
在日前發表在《科學》上的一篇新論文中，來自哈爾濱工業大學和澳大利亞國立大學的研究人員採用了連續體中的光學束縛態(BICs)的物理學原理並證明了從諧振元表面高效和可控地發射圓偏振光。
在動量空間具有整數拓撲電荷的BICs和理論上無限大的Q因子已經被研究了許多應用，包括非線性光學和發光。通過引入面內不對稱性，BICs變成了具有有限但仍很高的Q因子的准BICs。有趣的是，BICs模式的整數拓撲電荷會分裂成兩個半整數電荷，它們在動量空間中對稱分佈，對應於左手和右手的圓偏振態，也被稱為C點。
在C點，具有一個圓偏振態的入射光可以被耦合到納米結構中併產生急劇增強的局部電磁場。另一個偏振態則被解耦並得到幾乎完美的傳輸。雖然這種特性是眾所周知的，但很少應用於光發射。“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，不能被激發出發光的動作，”Zhang說道。
為了實現手性光發射，一個關鍵步驟是將局部狀態密度跟C點的內在手性相結合。如果一個C點被移到帶子的底部，那麼相應的手性准BIC的Q因子可以達到最大。根據費米的黃金法則，一個圓偏振自發發射的輻射率會增強，而另一個偏振則被抑制。Q因子和輻射率都隨着發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射。
“當然，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，我們的元表面只產生一個圍繞法線方向的高方向性的近乎統一的圓形極化，”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。原則上，手性的實現跟同時打破平面內和平面外的鏡面反射對稱性有關。在這項研究中，科學家們引入了一種面外不對稱性，即納米結構的傾斜。對於一個平面內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製造了元表面，另外還對發射進行了表徵。在納秒激光的激發下，他們成功地證明了手性發射的DOP為0.98，遠場發散角為1.06度。“我們的圓形光源是通過控制動量空間的C點和局部狀態密度實現的。它跟激發功率無關，這就是我們能實現從自發發射到發光的高Q值、高方向性和高純度的圓偏振發射的原因，”Zhang解說道。
跟傳統方法相比，手性准BIC提供了一種能同時修改和控制光致發光和發光的輻射模式、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計並促進其在光子和量子系統中的實際應用。