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Opto-Electronic Engineering 光电工程Review

2017 年,第44 卷,第3期?289? 表面等离子激元超构表面的研究进展 林 佼1*,王大鹏 1,司光远

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1 深圳大学纳米光子学研究中心,光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室,广东 深圳 518060;

2 东北大学信息科学与工程学院,沈阳

110819 摘要:传统光学系统(如透镜、波片和全息片等)在光程远大于波长尺度的范围内实现对光波前的调控,其中振幅、相位 和偏振的改变均依赖于光束反射、折射和衍射过程所累积的动态光程差.

近年来涌现出的平面超薄光学系统因突破了 传统设计的局限性而受到各个领域研究人员的青睐.本文着重介绍基于表面等离子激元的超表面在自由空间光场和局 域光场波前调控方面的最新进展,阐述相关机理和具体应用,并结合国内外研究现状,分析现有技术存在的瓶颈且对 该领域未来的发展趋势进行探讨和展望. 关键词:表面等离子激元;

超构表面;

波前调控 中图分类号:TB383;

O485 文献标志码:A Recent progress on plasmonic metasurfaces Jiao Lin1*, Dapeng Wang1 and Guangyuan Si2

1 Nanophotonics Research Centre, Key Laboratory of Optoelectronic Devices and System of Ministry of Education and Guang- dong Province, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China;

2 College of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China Abstract: Conventional optical systems (lenses, wave-plates and holograms) shape the wavefront of light within the range of an optical path that is much larger than the wavelength of light. The control of amplitude, phase and polar- ization of light depends on the dynamic optical path difference accumulated through the reflection, refraction and diffraction. Recently, planar ultrathin optical components have attracted tremendous attention by removing such tra- ditional limitations. In this paper, we mainly review the recent progress of plasmonic metasurfaces with respect to wavefront shaping of free space and localized optical fields, including the fundamental mechanisms and applications. Both the drawbacks of existing technology and potential development are highlighted. Keywords: surface plasmon polaritons;

metasurfaces;

wavefront shaping DOI: 10.3969/j.issn.1003-501X.2017.03.003 Citation: Opto-Elec Eng, 2017, 44(3): 289?296 ?

1 引言1968 年前苏联理论物理学家 Veselago 依据麦克斯 韦方程,首次提出 左手材料 的概念,该理论的发 现拉开了 超材料 领域研究的大幕.随着纳米加工 技术的快速发展,科学家们在三维尺度已获得具有人 工可设计介电常数和磁导率的新型电磁材料,进而实 现自然材料不具备的超常规物理性能,如光学隐身 [1-3] 、负折射率透镜[4-7] 、光学 黑洞 [8] 等.由于传统 光学系统设计原理的出发点是通过光束在各类光学晶 体传播过程中引入的振幅和相位变化来实现调控,这 就造成其厚度远大于光波长,导致传统光学器件体积 庞大笨重, 难以按比例缩小到集成光学系统中. 而 超 表面 作为 超材料 在二维平面的替代者,可灵活 调控光与物质相互作用过程中的电磁响应特性,其实 收稿日期:2017?01?10;

收到修改稿日期:2017?02?28 *E-mail: jiao.lin@szu.edu.cn OEE | Focus

2017 年,第44 卷,第3期290? 现功能的核心是亚波长的周期或准周期性的人工微纳 米结构单元而不取决于材料的本征属性,这使得基于 超表面的平面光学系统在微纳光学领域的研究中发挥 巨大的作用并且具有极大的潜力,也成为新一代集成 光电子器件与应用的一个重要分支[9-12] . 本文重点阐述近年来光学超表面在自由空间光场 和局域表面光场波前调控的最新进展,主要包括:电 磁波传播调控和近场表面等离激元调控.逐一分析两 种类型光场调控的响应机理、技术特点以及其所面向 的应用领域.在此基础上总结光学超表面所面临的挑 战和今后的发展趋势,为基于超表面的平面光学创新 设计提供启发和帮助,推动该领域的进一步发展.

2 自由空间光场波前调控 波前调控通常是指对电磁波等相位面的调控从而 改变光波传播行为的一种技术手段.1998 年Ebbesen 等人发现可见光和红外波段下亚波长金属孔洞阵列的 异常光学透射现象[13] ,立刻引起了研究者们对这种现 象背后所蕴藏的物理机制的广泛关注.这个现象微观 层面的机理可以概括为:特定频率光波与尺度匹配的 微结构共振激发出在金属表面传播的电磁波经过孔径 继续向透射方向传播[14-15] .透射光能量异常增强意味 着微纳结构对入射波振幅进行调制[16] .除了振幅调制 之外,通过金属纳米结构成功进行相位调制的工作也 被报道[17] .图1(a)展示了美国德州大学 Alù 等人设计 的T型交错的纳米棒阵列结构[18] ,经过理论分析和实 验测试获得在

500 nm~2500 nm 具有四分之一波片功 能的超表面结构.在结构参数设计中他们计算一系列 纳米棒长度和厚度的优化组合条件, 最终确定如图 1(b) 所示的结构大小. Mayer 等人采用金属反射型结构(MIM)并利用纳 米棒之间的耦合效应,实现了在

640 nm~1290 nm 波 长范围内的四分之一和半波片的超表面,如图 1(d)所示,这种结构具有±40°广角入射优点[19] .由于金属固 有的欧姆损耗较大导致整体效率不高[20-22] ,而反射型 金属器件的设计可避免这方面不足并实现所需功能, 因此金属反射型超表面无论从理论和实验角度都是近 年来的研究热点[23-24] . 图1(a) T 型纳米天线实现四分之一波片原理图 [18] . (b) 正交方向线偏振光的相位差随波长变化关系,其中 B, C, D, E 分别代表四组不同结构参数条件,B 代表金属棒几何尺寸为 lx=160 nm,ly=160 nm,z=8 nm,C 代表金属棒几何尺寸 为lx=60 nm,ly=160 nm,z=45 nm,D 代表金属棒几何尺寸为 lx=60 nm,ly=240 nm,z=50 nm,E 代表金属棒几何尺 寸为 lx=10 nm,ly=160 nm,z=60 nm,以上宽度均为 w=20 nm,空隙 g=10 nm [18] . (c) T 型纳米天线扫描电子显微镜图 [18] . (d) MIM 反射型超表面实现广角四分之一波片 [19] . (e) 基本单元纳米棒电子显微镜图 [19] . Fig.

1 (a) Schematic of quarter waveplate achieved by T-type nanoantennas [18] . (b) Phase shift of orthogonal linearly polarization light as a function of wavelength [18] . The B-line represents the structural parameters of lx=160 nm, ly=160 nm and z=8 nm. The C-line represents the structural parameters of lx=60 nm, ly=160 nm and z=45 nm. The D-line represents the structural parameters of lx=60 nm, ly=240 nm and z=50 nm. The E-line represents the structural parameters of lx=10 nm, ly=160 nm and z=60 nm. The width of nanoantenna is

20 nm and the gap is

10 nm. (c) Scanning electron microscope (SEM) images of interleaved nanoantennas [18] . (d) Schematic of metal-insulator-metal (MIM) reflective metasurfaces with broadband angles [19] . (e) SEM images of the typical unit cells in (d). The overview scale bar is

400 nm and the inserted scale bar is

100 nm [19] . (a) (c) (e) (b) B C D E

180 90

0 -90 ? ? /( ? )

500 1000

1500 2000

2500 Wavelength/nm (d) z Incident light Reflected light y x ?i ?i

500 nm

400 nm

100 nm DOI: 10.3969/j.issn.1003-501X.2017.03.003 OEE | Focus 291? 相位调制通常用于实现经典的波片系统,而最近 具有开创性意义的研究成果成功地推广了几百年来折 /反射光学的基础定理-Snell 定律. 自然界中材料的折 射率是随光波频率变化的连续函数,但超构表面可在 界面处人为施加随空间位置 突变 的梯度相位,最 终任意控制折射方向.哈佛大学 Capasso 课题组最早 报道这个异常反射和异常折射的现象[25] ,他们利用不 同结构类型以及不同取向的金属纳米天线逐一匹配

0 到2π 范围内的八阶离散化的梯度相位, 如图 2(a)~2(e) 所示.实验中,他们成功探测到根据重新推导的广义 Snell 定律计算得出的异常反射和折射角度,及携带一 阶拓扑荷的光学涡旋.对于光波前相位调控的应用范 围还远不止于此,以色列理工学院的 Hasman 教授在 对半圆型金属沟槽所激发的表面等离激元研究中发现 一种与入射光自旋态相依赖的传播行为[26] .随后通过 设计不同金属型的表面等离子体光学链,在近场和远 场均发现了光学自旋霍尔效应[27-28] ,首次证实........