基于星形纳米结构的多功能近红外手性超表面及其在光学通信与传感中的应用

研究人员针对自然材料手性光学响应弱、近红外(NIR)波段多功能集成器件缺乏的问题，开发了一种基于银纳米星/棒复合结构的SiO2 嵌入式手性超表面。通过FDTD仿真优化，该结构在971.5nm处实现0.7的圆二色性(CD)，在1010nm处获得0.92的线偏振不对称传输(AT)，兼具线/圆偏振转换功能，并成功应用于1,2-丙二醇对映体鉴别，为NIR多通道光通信和attomolar级生物分子检测提供了集成化解决方案。

　　

在自然界中，从DNA的双螺旋到香槟酒瓶的软木塞，手性现象无处不在。这种"左右互不重叠"的特性在生物分子识别、药物开发等领域至关重要，但自然材料的手性光学响应往往微弱到需要复杂设备才能检测。与此同时，随着光子器件小型化需求的激增，如何在近红外波段——这个兼具分子指纹识别和光纤通信优势的"黄金窗口"，实现多功能集成化器件成为学界难题。

针对这些挑战，来自孟加拉国工程技术大学的研究团队创新性地设计了一种星形银纳米天线手性超表面，相关成果发表在《Optics and Lasers in Engineering》。该研究通过将四种不对称排列的银纳米星与棒状结构嵌入SiO₂
介质，利用有限时域差分法(FDTD)进行电磁仿真优化，最终获得兼具多重光学特性和传感功能的微型化平台。

关键技术方法
研究采用计算电磁学领域的FDTD方法进行全波仿真，通过参数扫描优化纳米天线几何构型；利用琼斯矩阵理论分析偏振转换特性；建立手性分子-超表面耦合模型模拟1,2-丙二醇对映体检测；所有金属结构采用Drude模型描述银的色散特性，介电常数数据来自实验测量值。

结构设计与优化
通过对比三种拓扑构型，最终选择在x方向非对称排列的大小星形组合（图1）。这种打破镜面对称的设计在971.5nm处产生0.7的CD值，远超常规手性材料。理论分析表明，星形尖端的局域场增强与棒状结构的波导效应协同作用，是增强手性响应的关键。

多功能光学特性
在1.01μm波长下，线偏振AT值达0.92，接近理论极限。该结构同时实现：①线偏振入射时高达98%的交叉偏振转换；②圆偏振到椭圆偏振的可控转换；③特定波段线偏振-圆偏振转换，这些特性通过琼斯矩阵计算得到验证。

手性传感应用
将结构暴露于1,2-丙二醇对映体环境时，R型和S型分子导致透射谱出现0.12nm的偏移差。这种"分子指纹"识别能力源于手性超表面与分子轨道振动的强耦合作用，检测限可达attomolar级，为药物纯度检测提供了新思路。

结论与展望
该研究首次实现了NIR波段多功能手性超表面的集成设计，其星形-棒状复合结构通过打破空间对称性产生显著的手性光学响应。作为"光学瑞士军刀"，该器件同步解决了通信系统的偏振干扰消除、多信道信号处理和生物分子超灵敏检测等难题。研究者特别指出，通过调整纳米天线尺寸，该设计可扩展至中红外波段，在环境监测、毒品检测等领域具有广阔前景。文末强调，这种"几何结构决定功能"的设计范式，为下一代智能光子器件的开发提供了普适性思路。