復旦大學團隊實現手性光控制的高效光學近場調控

江蘇雷射聯盟導讀

近日，復旦大學周磊教授、孫樹林研究員、何瓊副教授，與天津大學張偉力教授團隊合作，在超構表面調控光學近場方面取得了重要的研究進展，設計並製備的超構表面可在不同手性圓偏振光照射下高效率激發近場表面波並對其波前實現多功能調控，實現了將三維遠場光高效率耦合為兩維近場表面波並對其光場分布進行任意調控，該概念已在太赫茲頻段被理論和實驗證實，相關成果發表在Advanced Science上。

研究背景

表面波（包括表面等離激元、人工表面等離激元等）是一種局域在金屬等材料表界面的電磁本徵模式，所攜帶的水平波矢分量大於真空中電磁波的總波矢，因此具有亞波長分辨和局域近場增強等奇異光學性質。表面波的相關研究一直是納米光子學領域中的研究熱點，在增強光學透射、超分辨成像、光學通訊、增強光學吸收、化學/生物傳感等方面具有重要的應用價值。為了實現以上應用目標，不僅需要高效率激發表面波，而且希望能夠有效調控表面波的光場形貌。為此，人們曾提出利用稜鏡、光柵等耦合器實現表面波的激發，另外也提出引入傳統光學器件來調控表面波的波前分布，然而要實現這兩種光場調控功能通常需要不同的光學器件，不同程度存在著體系尺寸大、效率低、功能單一、不易集成等問題（圖一）。

為了解決表面波的高效激發問題，復旦大學周磊教授團隊曾提出利用反射式超構表面實現傳輸波高效耦合表面波的新機制[見Nature Materials 11, 426 (2012)]，其物理原理是通過設計超構表面的反射相位梯度來補償兩種不同電磁模式間的波矢差。在電磁波照射下，超構表面上不同位置處的反射波作為次波源相互幹涉疊加形成反射波陣面，所提供的反射相位梯度就補償了一個等效平行波矢，使得反射波沿著非鏡面方向傳輸；當該等效平行波矢大於真空中電磁波的總波矢時，超構表面可將傳輸波完美轉化為表面波。基於該新機制，團隊之後進一步設計出透射式超構表面實現了高效率表面波耦合器，有效的克服了以往耦合器存在的反射損耗和解耦損耗等問題，理想模型的效率為94%，實驗效率超過70%[見Light: Science & Applications 5, e16003 (2016)]。雖然這些超構表面耦合器解決了表面波的高效耦合問題，然而它們並未能實現對表面波波前分布的調控效應。

圖一：超構表面近場調控示意圖。（a，b）不同器件分別實現表面波激發和波前調控；（c）單個超構表面實現手性調控的高效多功能近場激發及波前調控。

創新研究

最近，復旦大學團隊設計並製備出超構表面可同時實現近場表面波的高效激發和波前調控兩種不同的功能，該方法為超構表面走向未來高效率、高集成光學應用提供了思路（圖一）。具體的設計原理如下：首先，通過精準設計超構表面在兩維方向的相位梯度，保證提供的總波矢大於入射電磁波的總波矢來實現傳輸波到表面波的激發；其次，通過特殊設計保證超構表面不同位置處激發出表面波的相位分布具有特定的分布形貌，使得出射表面波可以具有任意預設的波陣面形貌；最後，結合共振相位和幾何相位兩種機制，在同一塊超構表面上集成兩套完全不同的兩維相位分布，在不同手性電磁波激發下實現兩種獨立的近場表面波波前形貌。為了驗證該概念，首先根據瓊斯矩陣理論指導在太赫茲波段設計出偏振轉化（相對）效率近100%的人工原子，設計並製備出沿x方向具有線性幾何相位分布的超構表面耦合器，可以實現高效率方向可調表面波激發，其耦合（絕對）效率超過60%（中心工作頻率為0.4THz），並通過太赫茲近場掃描系統表徵了體系中激發的表面波形貌（圖二）；之後,該團隊設計製備了第二塊超構表面，分別在x和y方向上都引入了特定的幾何相位分布，實現了在左右旋圓偏振太赫茲光照射下激發出聚焦或發散的表面波，這裡只利用了幾何相位機制設計超構表面，因而兩種表面波近場調控功能是手性綁定的（圖三）；最後，團隊進一步設計製備了第三塊超構表面器件，通過同時引入共振相位與幾何相位機制實現了手性調製的近場獨立雙功能光學調控，在不同圓偏振太赫茲光照射下支持兩套不同的相位分布，從而形成完全迥異的近場表面波波前分布（例如聚焦和偏折的表面波，見圖四）。全波數值模擬和近場掃描實驗完美驗證了以上三個太赫茲超構表面功能器件的近場調控效應。

圖二：超構表面實現高效率太赫茲近場表面波激發。（a）超構樣品照片；（b）右側等離激元金屬附近電場Ez分布；（c）等離激元金屬所支持的表面波色散關係；（d）超表面耦合器與光柵耦合器性能對比；（e）太赫茲近場掃描測試系統示意圖。

圖三：超構表面實現手性關聯近場表面波調控。（a-c）超構表面樣品照片及其在左旋和右旋圓偏振光照射下的反射相位分布；（d, e）在線偏振光照射下的超構表面器件表面近場的實驗測試及全波模擬結果。

圖四：超構表面實現手性控制近場表面波獨立雙功能調控。（a-c）超構表面樣品照片及其在左旋和右旋圓偏振光照射下的反射相位分布；（d-f）不同偏振光照射下的超構表面近場表面波聚焦和偏折效應的模擬和實驗結果。

總 結

基於該項研究成果，人們藉助單個超構表面器件就可以實現高效率表面波激發及其波前調控，這對未來集成光子學應用具有重要意義，實現了對近場光學環境的靈活自由的調控能力，為增強光與物質相互作用提供了理想的高效率集成化平臺。該成果以「Excite Spoof Surface Plasmons with Tailored Wavefronts Using High-Efficiency Terahertz Metasurfaces」為題發表在Advanced Science 7， 2000982 (2020)（DOI: 10.1002/advs.202000982）。復旦大學博士生王卓、李士青和天津大學張學遷老師為論文共同第一作者，復旦大學周磊教授、孫樹林研究員為共同通訊作者，論文合作者還包括復旦大學何瓊副教授、天津大學張偉力教授、韓家廣教授。該工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金、復旦長光合作基金的資助。

作者名單：Zhuo Wang，Shiqing Li，Xueqian Zhang，Xi Feng，Qingwei Wang，Jiaguang Han，Qiong He，Weili Zhang, Shulin Sun, Lei Zhou

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000982

來自：九鄉河 兩江科技評論 江蘇雷射聯盟轉載