Diffracted beams from metasurfaces: high chiral detectivity by photothermal deflection technique

Measurements of difference in optical interactions between circularly polarized excitations of opposite handedness (circular dichroism) are highly important for both natural and artificial chiral structures. Here the photothermal deflection technique is proposed as a method to detect the optical chirality of a metasurface, analyzing the diffracted beams by the metasurface itself. Two metasurfaces are investigated, based on Au and Ag. The samples are fabricated by nanosphere lithography, with a tilted deposition of thin metal layer, which produces symmetry-breaking. The unit cell periodicity of these metasurfaces allows for multiple order diffraction in the 450–520 nm range, which encompasses the emission lines of an Ar laser. The metasurfaces are placed on a mirror and excited by an Ar pump beam at different orientations, laser wavelengths, and circular polarization degree; the probe beam scans the absorption of the diffraction orders back-reflected from the underlying mirror. In this way, the chiral investigation is simplified by placing the scanning of absorption-induced thermal effect into the metasurface plane, thus avoiding the transmission/reflection measurements of a specific order, which are done by angular placement of detector. Theoretical and numerical approaches are further developed to reconstruct both thermal and optical behavior of the chirality at the nanoscale.

Le misurazioni della differenza nelle interazioni ottiche tra eccitazioni polarizzate circolarmente di mano opposta (dicroismo circolare) sono molto importanti per le strutture chirali sia naturali che artificiali. Qui la tecnica della deflessione fototermica viene proposta come metodo per rilevare la chiralità ottica di una metasuperficie, analizzando i fasci diffratti dalla metasuperficie stessa. Vengono studiate due metasuperfici, basate su Au e Ag. I campioni sono fabbricati mediante litografia a nanosfere, con una deposizione inclinata di un sottile strato di metallo, che produce la rottura della simmetria. La periodicità delle celle unitarie di queste metasuperfici consente la diffrazione di ordini multipli nell'intervallo 450-520 nm, che comprende le linee di emissione di un laser ad Ar. Le metasuperfici sono poste su uno specchio ed eccitate da un fascio di pompa di Ar a diversi orientamenti, lunghezze d'onda laser e grado di polarizzazione circolare; il fascio di sonda scansiona l'assorbimento degli ordini di diffrazione retroriflessi dallo specchio sottostante. In questo modo, l'indagine chirale viene semplificata posizionando la scansione dell'effetto termico indotto dall'assorbimento nel piano della metasuperficie, evitando così le misurazioni di trasmissione/riflessione di un ordine specifico, che vengono eseguite mediante il posizionamento angolare del rivelatore. Approcci teorici e numerici sono ulteriormente sviluppati per ricostruire il comportamento sia termico che ottico della chiralità su scala nanometrica.