周磊团队在超构表面同时实现表面波高效激发及波前调控
发布时间: 2020-09-30     文章作者:     访问次数: 10

表面波是一种局域在金属等材料表界面的电磁本征模式,所携带的水平波矢分量大于真空中的电磁波总波矢,因此具有亚波长分辨和局域近场增强等奇异光学性质。表面波的相关研究是纳米光学领域的研究热点,在增强光学透射、超分辨成像、亚波长光学通讯、增强光学吸收和化学/生物传感等方面具有重要的应用前景。为了实现以上应用,人们不仅需要高效率激发表面波,而且希望表面波具有特定的光场形貌。为此,科学家们曾提出利用棱镜、光栅等耦合器实现表面波的激发;也提出了利用传统光学器件来调控表面波的波前分布,然而这些方法不仅需要两种不同的光学器件,而且存在体系尺寸大、效率低、功能单一、不易集成等问题。

为了解决表面波的高效激发问题,我系/应用表面国家重点实验室周磊教授团队曾在2012年提出了利用反射式超构表面实现传输波高效耦合表面波的新思路,其物理原理是通过设计超构表面的反射相位梯度来补偿两种不同电磁模式间的波矢差。在电磁波照射下,超构表面上不同位置人工原子的反射波作为次波源相互叠加形成反射波阵面,当不同次波源的相位梯度大于真空中电磁波总波矢时,超构表面可将传输波完美转化为表面波。基于该新机制,团队之后进一步设计出透射式超构表面实现了高效率抗解耦表面波耦合器,这些工作解决了传统器件尺寸大、效率低等问题。然而,这些超构表面还没有实现对表面波波前分布的有效调控。


最近,周磊教授团队进一步提出利用单个超构表面同时实现表面波的高效激发和波前调控。通过精准设计超构表面在两维方向的相位梯度,首先保证其提供的总波矢大于电磁波的总波矢实现表面波的激发;其次,设计不同位置处激发出表面波的横向相位分布,使得它们保持预定的波阵面形貌;最后,结合共振相位和几何相位两种机制,在同一块超构表面上集成两套完全不同的两维相位分布,在不同自旋电磁波激发下实现两种独立的近场表面波波前形貌。为了验证上述构想,团队在太赫兹波段根据理论指导设计出偏振转化(相对)效率近100%的人工原子,并基于几何相位超构表面在太赫兹波段(0.4THz)实验实现了绝对耦合效率>60% 高效表面波激发。再次基础上,团队还设计超构表面在另一方向的几何相位分布,实现了不同旋度太赫兹光照射下的表面波聚焦和发散效应。最后,同时引入共振相位与几何相位机制实验实现了对手性解绑的近场双功能光学调控,将左右旋圆偏振入射太赫兹光转化成聚焦或者偏折的表面波。数值模拟和太赫兹近场实验完美验证了以上三个功能器件的表面波调控效果。

  

上述研究成果以“Excite Spoof Surface Plasmons with Tailored Wave-fronts Using High-Efficiency Terahertz Metasurfaces”为题,于20208月发表在Advances Science 2000982 (2020) https://doi.org/10.1002/advs.202000982)上。

我系博士生王卓、光科学与工程系博士生李士青和天津大学张学迁老师为论文共同第一作者;周磊教授和复旦大学光科学与工程系孙树林研究员为论文共同通讯作者。论文合作者还包括我系何琼副教授,天津大学张伟力教授和韩家广教授等。研究工作得到了国家自然科学基金,科技部重点研发专项计划和上海市科委等经费的支持。



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