手光响应是手性光-物质相互作用的重要现象，在现代光学中受到广泛的关注。手光响应中最常见的现象是圆二色性(CD)，其本质上是手性结构和偏振光携带的光子自旋角动量(SAM)的直接作用。而随着对另一重要光子维度-轨道角动量(OAM)认识的加深，它主导的手性光学现象也逐渐被研究，称为涡旋二色性(VD)。
中国科学技术大学微纳米工程实验室的吴东教授、李家文副教授发现人工扭曲的立体超材料可以在固定波长下产生范围-97%至+98%的可定制涡旋二色性，并通过离散轨道角动量(OAM)谱解释了涡旋二色性现象的起源。相关研究成果以“Tailoring Optical Vortical Dichroism with Stereometamaterials”为题，于2021年12月17日发表在Laser & Photonics Reviews上。
常见手性超材料可以分为两类:二维超材料和三维超材料。而立体超材料则介于两者之间，是由非手性/手性构建块形成的准3D结构，与三维超材料相比，立体超材料对空间加工能力的要求较低，但却可以通过构建块空间排布的不同（例如扭转角）而获得多种手性构型。利用立体超材料定制涡旋二色性的概念如图1所示。
立体超材料上涡旋二色性产生的原因可以用差异电场传输和离散OAM光谱解释，如图2所示。开始，具有相反OAM模式的原始光涡旋电场分布呈镜像对称分布。在与超材料相互作用后，光涡旋的电场分布和离散OAM光谱被调制。当与非手性超材料作用时，两者被对称调制，因而无法产生涡旋二色性，而当与立体超材料作用时，两者被非对称调制诱导涡旋二色性的产生。
图2：立体超材料上涡旋二色性的起源分析
为了直观地评估依赖于OAM的涡旋二色性，我们实验测量了几个重要角度下立体超材料的OAM光谱，如图3所示。在扭转角为0°的非手性起始点，VD谱始终保持近似为0。当角度从0°增加到90°时，首先进入左手区，然后进入右手区。在左旋区，VD信号始终为正，并在22.5°达到最大值。而在又手性区，VD信号始终为负，并在67.5°达到最小值。
除了扭转角外，立体超材料的其他几何参数(包括臂长l、层间距s、臂宽w和旋转对称Cn)也会对VD产生影响。为了直观地阐明VD与特定参数的关系，进行了参数定制实验，如图4所示。
图4：立体材料上的参数定制关系
作为光子OAM维中的一种新兴的光学响应，实现可定制的VD对于操纵OAM光束在集成光子学中的传输行为具有重要意义。这种扭转的立体超材料，可以为集成光子学和手性光谱学领域的小型化器件的开发提供启发。工程科学学院博士生刘顺利为本论文的第一作者，吴东教授、李家文副教授为该论文的通讯作者。
文章链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202100518