学术报告

本研究标题为“Optical Gap-Surface Plasmon Metasurfaces for Spin-Controlled Surface Plasmon Excitation and Anomalous Beam Steering”，由Chao Meng、Shiwei Tang、Fei Ding 和 Sergey I. Bozhevolnyi撰写，并于2020年发表在ACS Photonics期刊上。本文研究了基于间隙表面等离子体（gap-surface plasmon, GSP）的多功能超表面（metasurface）的设计与实验，实现了自旋控制的表面等离子体极化激发（surface plasmon polariton, SPP）与异常光束偏转。这项研究为旋光学（spin photonics）和等离子体光学（plasmonics）的发展提供了新的可能性，应用潜力涵盖生物医疗诊断、手性光谱学、成像和光学传感等。

研究背景

超表面是一种快速发展的纳米光学研究方向，可以在亚波长尺度上灵活调控电磁场（electromagnetic fields），为未来高密度微/纳光子设备提供了有力支撑。近些年，多种应用已经在超表面领域得到了验证，包括金属透镜（metalenses）、光学全息图、波片（waveplates）、偏振仪（polarimeter）和波导耦合器等。然而，传统超表面的功能单一，难以满足现代光子学朝集成化和多功能化方向发展的需求。

尽管最近已有一些研究设计了多功能超表面，但它们主要基于线性偏振（linearly polarized, LP）光的相位调控，存在加工难度大、带宽受限的问题。相比之下，基于圆偏振光（circularly polarized, CP）的超表面能够通过几何相位（geometric phases）的调控大幅简化设计与制作流程，同时扩展宽频带的操作能力。然而，这类基于几何相位的超表面通常操作功能锁定在自旋锁定（spin-locked）特性上，其功能镜像对称，限制了实际应用场景的复杂性。通过将几何相位与传播相位（propagation phases）相结合的设计策略，可以实现自旋解耦的功能多样性，为构建自旋控制的单一超表面提供了通用的解决方案。

针对高效自旋解耦功能结构，本文设计并实现了一种高效多功能GSP梯度超表面，在正圆偏振光（RCP）和左圆偏振光（LCP）入射下，分别实现SPP单向激发与异常光束偏转。

研究流程

实验设计与理论分析

作者通过理论建模与数值模拟，提出一种基于旋转GSP纳米级半波片（nanoscale half-wave plate, nano-HWP）结构的超表面。这些纳米单元结合传播相位和几何相位，产生自旋相关的线性相位梯度，以支持SPP激发和自由传播光束偏转。

1. GSP共振器设计与优化
   本文使用纳米砖（nanobrick）和纳米圆柱（nanocylinder）两类GSP共振器单元，优化得出高反射幅度和完整2π相位覆盖的纳米HWP。通过COMSOL Multiphysics软件进行三维全波仿真，计算这些纳米结构在设计波长850 nm下的反射系数和相位分布。通过匹配反射系数相位差为180°的条件，选择最佳反射幅度和所需反射相位的纳米HWP。

2. 自旋解耦梯度设计
   为实现RCP和LCP光的自旋解耦特性，研究对纳米砖和纳米圆柱单元进行了特定角度的旋转排列，分别施加±2θ的几何相位梯度，从而在超表面上为两种自旋状态入射光生成独立的线性相位梯度。

样品制备

研究采用薄膜沉积、电束光刻（electron-beam lithography, EBL）及随后的剥离工艺，制造了由金（Au）纳米颗粒、连续金薄膜及二氧化硅隔离层构成的超表面。整体超表面的尺寸为30 μm × 30 μm，结构质量经过扫描电子显微镜（SEM）验证，圆角等微观缺陷对实验性能影响较小。

性能表征

1. SPP激发实验
   自制的泄漏辐射显微镜（leakage radiation microscopy, LRM）用于可视化和定量表征SPP激发效率。实验光源为波长可调谐的激光器，通过控制入射光斑位置和偏振角度优化SPP激发效率。

2. 光束偏转实验
   使用反射场远场图案分析搭建平台，定量测量异常反射光束的偏转效率以及衍射光束与镜面反射光束之间的对比度。

主要结果

1. SPP单方向激发
   模拟显示在RCP光入射下，通过超表面激发的左向SPP效率最大值约为28%，波长范围为850–950 nm，1 dB带宽约为170 nm。实验结果进一步验证了SPP光束的高效单方向性激发，最大耦合效率超过22%。

2. 异常光束偏转
   模拟与实验均表明，在LCP光入射下，超表面实现宽带高效光束偏转。实验结果显示平均衍射效率高达48%，1 dB带宽为140 nm，对比度峰值波长为900 nm。

科学结论

本文研究实现了一种多功能GSP梯度超表面，可分别响应RCP和LCP光，实现单向SPP激发和宽带光束偏转的功能解耦。这一方法验证了一种通用、高效的设计框架，扩展了超表面在旋光学和等离子体光学中的应用范围。

研究意义

1. 科学价值

   • 提供了一种全新设计思路，结合几何相位与传播相位实现自旋解耦，突破了传统自旋锁定设计的限制。
   • 在优化光与物质相互作用的纳米光子学领域具有重要指导意义。

2. 应用价值

   • 在生物检测、手性成像与高灵敏度光学传感等领域具有巨大的应用潜能。
   • 提供了一种紧凑型、宽带的多功能光子器件设计方案。

亮点与创新

1. 功能多样性
   实现了单一器件的自旋解耦双功能响应。

2. 高效宽带设计
   设计超表面在宽波长范围内具备高效率操作能力。

3. 制造兼容性
   连续金属薄膜设计使得器件与SPP激发高度兼容，并简化了制备流程。

通过研究中的关键创新点，如结合几何相位与传播相位的设计策略，本文推动了超表面从单一功能向多功能性迈进，为实现高集成度光子器件铺平了道路。这一成果在基础研究和工业应用领域都具有重要影响力。