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复旦大学团队实现手性光控制的高效光学近场调控

作者:admin发布时间:2020-10-16分类:产业动态浏览:3评论:0


导读:原标题:复旦大学团队实现手性光控制的高效光学近场调控导读近日,复旦大学周磊教授、孙树林研究员、何琼副教授,与天津大学张...
原标题:复旦大学团队实现手性光控制的高效光学近场调控

导读

近日,复旦大学周磊教授、孙树林研究员、何琼副教授,与天津大学张伟力教授团队合作,在超构表面调控光学近场方面取得了重要的研究进展,设计并制备的超构表面可在不同手性圆偏振光照射下高效率激发近场表面波并对其波前实现多功能调控,实现了将三维远场光高效率耦合为两维近场表面波并对其光场分布进行任意调控,该概念已在太赫兹频段被理论和实验证实,相关成果发表在Advanced Science上。

复旦大学团队实现手性光控制的高效光学近场调控

研究背景

表面波(包括表面等离激元、人工表面等离激元等)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电磁波的总波矢,因此具有亚波长分辨和局域近场增强等奇异光学性质。表面波的相关研究一直是纳米光子学领域中的研究热点,在增强光学透射、超分辨成像、光学通讯、增强光学吸收、化学/生物传感等方面具有重要的应用价值。为了实现以上应用目标,不仅需要高效率激发表面波,而且希望能够有效调控表面波的光场形貌。为此,人们曾提出利用棱镜、光栅等耦合器实现表面波的激发,另外也提出引入传统光学器件来调控表面波的波前分布,然而要实现这两种光场调控功能通常需要不同的光学器件,不同程度存在着体系尺寸大、效率低、功能单一、不易集成等问题(图一)。

为了解决表面波的高效激发问题,复旦大学周磊教授团队曾提出利用反射式超构表面实现传输波高效耦合表面波的新机制[见Nature Materials 11, 426 (2012)],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处的反射波作为次波源相互干涉叠加形成反射波阵面,所提供的反射相位梯度就补偿了一个等效平行波矢,使得反射波沿着非镜面方向传输;当该等效平行波矢大于真空中电磁波的总波矢时,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表面波耦合器,有效的克服了以往耦合器存在的反射损耗和解耦损耗等问题,理想模型的效率为94%,实验效率超过70%[见Light: Science & Applications 5, e16003 (2016)]。虽然这些超构表面耦合器解决了表面波的高效耦合问题,然而它们并未能实现对表面波波前分布的调控效应。

复旦大学团队实现手性光控制的高效光学近场调控

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图一:超构表面近场调控示意图。(a,b)不同器件分别实现表面波激发和波前调控;(c)单个超构表面实现手性调控的高效多功能近场激发及波前调控。

创新研究

最近,复旦大学团队设计并制备出超构表面可同时实现近场表面波的高效激发和波前调控两种不同的功能,该方法为超构表面走向未来高效率、高集成光学应用提供了思路(图一)。具体的设计原理如下:首先,通过精准设计超构表面在两维方向的相位梯度,保证提供的总波矢大于入射电磁波的总波矢来实现传输波到表面波的激发;其次,通过特殊设计保证超构表面不同位置处激发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预设的波阵面形貌;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,在不同手性电磁波激发下实现两种独立的近场表面波波前形貌。为了验证该概念,首先根据琼斯矩阵理论指导在太赫兹波段设计出偏振转化(相对)效率近100%的人工原子,设计并制备出沿x方向具有线性几何相位分布的超构表面耦合器,可以实现高效率方向可调表面波激发,其耦合(绝对)效率超过60%(中心工作频率为0.4THz),并通过太赫兹近场扫描系统表征了体系中激发的表面波形貌(图二);之后,该团队设计制备了第二块超构表面,分别在x和y方向上都引入了特定的几何相位分布,实现了在左右旋圆偏振太赫兹光照射下激发出聚焦或发散的表面波,这里只利用了几何相位机制设计超构表面,因而两种表面波近场调控功能是手性绑定的(图三);最后,团队进一步设计制备了第三块超构表面器件,通过同时引入共振相位与几何相位机制实现了手性调制的近场独立双功能光学调控,在不同圆偏振太赫兹光照射下支持两套不同的相位分布,从而形成完全迥异的近场表面波波前分布(例如聚焦和偏折的表面波,见图四)。全波数值模拟和近场扫描实验完美验证了以上三个太赫兹超构表面功能器件的近场调控效应。

复旦大学团队实现手性光控制的高效光学近场调控

图二:超构表面实现高效率太赫兹近场表面波激发。(a)超构样品照片;(b)右侧等离激元金属附近电场Ez分布;(c)等离激元金属所支持的表面波色散关系;(d)超表面耦合器与光栅耦合器性能对比;(e)太赫兹近场扫描测试系统示意图。

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图三:超构表面实现手性关联近场表面波调控。(a-c)超构表面样品照片及其在左旋和右旋圆偏振光照射下的反射相位分布;(d, e)在线偏振光照射下的超构表面器件表面近场的实验测试及全波模拟结果。

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图四:超构表面实现手性控制近场表面波独立双功能调控。(a-c)超构表面样品照片及其在左旋和右旋圆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构表面近场表面波聚焦和偏折效应的模拟和实验结果。

总 结

基于该项研究成果,人们借助单个超构表面器件就可以实现高效率表面波激发及其波前调控,这对未来集成光子学应用具有重要意义,实现了对近场光学环境的灵活自由的调控能力,为增强光与物质相互作用提供了理想的高效率集成化平台。该成果以“Excite Spoof Surface Plasmons with Tailored Wavefronts Using High-Efficiency Terahertz Metasurfaces”为题发表在Advanced Science 7, 2000982 (2020)(DOI: 10.1002/advs.202000982)。复旦大学博士生王卓、李士青和天津大学张学迁老师为论文共同第一作者,复旦大学周磊教授、孙树林研究员为共同通讯作者,论文合作者还包括复旦大学何琼副教授、天津大学张伟力教授、韩家广教授。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金、复旦长光合作基金的资助。

作者名单: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

来自:九乡河 两江科技评论 江苏激光联盟转载

标签:超构手性表面近场控制光学调控相位设计反射式消息资讯表面波复旦大学耦合器


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