圆偏振光是现代光子学中的重要信息载体，在3D显示、量子计算、遥感探测、生物医学诊断等前沿领域发挥着重要作用。长期以来，高性能圆偏振器件大多依赖石英、方解石等体块双折射晶体。当器件向超薄化发展时，表面抛光产生的粗糙度可能引发散射损耗与相位畸变，难以满足片上集成光学系统的需求；而人工设计的三维超材料与二维超表面方案，则仍面临制备工艺复杂、加工成本较高以及圆偏振度不足等局限。

近日，6163银河线路检测中心研究团队利用天然低维材料的本征光学各向异性，选取NbOCl₂与MoOCl₂两种二维范德华晶体，通过干法堆叠构建出一种无需光刻、制备简便的超薄圆偏振器。该器件总厚度仅为亚微米量级，即可高效分辨圆偏振态，还可直接与 LED 光源芯片集成，形成高圆偏振度的发光器件。

研究中选用的两种天然二维材料各具独特的光学优势：NbOCl₂在可见至近红外波段具有极强的面内双折射，同时光学损耗较低，仅需几百纳米的传播距离就能积累四分之一波长的光程差，相当于一片天然的超薄四分之一波片；MoOCl₂则具有独特的面内双曲色散特性，沿一个晶轴方向呈现类金属的高反射特性，沿与之垂直的另一方向则保持低损耗的介质透射特性，因而具备优异的线偏振选择能力，可直接作为超薄线偏振片使用。通过干法转移技术，研究团队将两种材料薄片以约 45° 的相对扭转角堆叠为范德华异质结，结合了 NbOCl₂的相位调制能力与 MoOCl₂的偏振选择特性。当左旋与右旋圆偏振光入射时，先经 NbOCl₂层分别转换为两个正交的线偏振态，再由 MoOCl₂层选择性地透射其中一个偏振分量，从而实现两种圆偏振光的高效区分。实验结果表明，总厚度约 730 纳米的堆叠器件在波长 653 纳米处，圆偏振消光比可达 21.16 dB。

图1 (a)圆偏振器示意图。(b)堆叠结构在LCP(红色)和 RCP(蓝色)光入射时的归一化透射光谱。插图：对应的光学显微照片。(c)堆叠结构在可见光波段的透射率比值。

除了作为圆偏振滤波元件，该异质结结构还可集成于发光芯片，将普通非偏振 LED 的出射光转换为高圆偏振度的光。研究团队将总厚度约 690 纳米的堆叠结构集成于中心波长 580 纳米的 LED 芯片，根据出射光的偏振测量结果，估算其圆偏振度可达 99.68%，验证了该方案与紧凑型片上光源的兼容性，为构建集成化圆偏振发光器件提供了可行的技术路径。

图2 在工作波长下输出光的归一化斯托克斯参数|S1/S0|, |S2/S0| 和 |S3/S0|

该工作提出了利用天然低维材料本征物性制备高性能偏振器件的新方案，无需复杂纳米加工即可实现亚微米尺度的高效圆偏振调控，为超薄、可集成的圆偏振光子器件提供了新的材料体系与设计思路。未来这类器件有望用于手性分子探测、片上量子光子学、微型 3D 显示、微流控生物传感等领域，推动光子器件的小型化与集成化。

该研究以 “Ultrathin high-performance circular polarizers based on MoOCl₂/NbOCl₂ van der Waals heterostructures” 为题，发表于《Nature Communications》期刊。6163银河线路检测中心博士生黄书馨为第一作者，吕国伟研究员为通讯作者，合作者还有刘开辉教授和刘文静研究员等。研究工作得到了人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心，以及国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-026-78564-z