基于人工超表面结构的高效宽带异常折射和偏振分束研究取得新进展

人工微结构超表面的提出，为人类操控光提供了新的自由度。这种超表面可以实现位置依赖的相位梯度分布，即使在入射光角度固定的前提下，仅改变材料表面的相位梯度值，也可以简单操控透射光的方向。不仅如此，通过对材料微纳结构的设计，可以获得任意的相位分布。与那些需要依靠相位积累来实现塑造波前的传统光学器件相比，这种梯度渐变超表面将具有更加丰富的光学性质，并在光束偏转、超分辨成像、平面透镜、全息成像等领域表现出了极大的研究价值和广泛的应用前景。

在光学结构和器件的研究领域，对光强度的调控能力（即光反射或者折射的效率）是一个非常重要的指标。然而对于超表面结构来说，依赖结构单元的散射实现的异常斯涅耳定律效应，其反射和折射效率都远低于在常规界面处发生的传统反射和折射的效率。尽管通过一些复杂的设计可以改善这一问题，比如在结构单元之间增加光栅结构以提高效率或者利用多层金属/介质结构以提高光控制能力，但是这样的设计增加了制备工艺的复杂程度，并且使其对几何尺寸误差的容忍度降低。利用超表面实现对圆偏振电磁波的透射波和反射波的相位和振幅的调控是超表面应用的基础，但是基于目前方法产生的异常偏转波束的效率很低，而且工作波段非常窄，这是超表面在应用方面所面临的重要问题。

最近中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）微加工实验室在人工超表面结构的设计、加工及光学特性调控等方面取得一系列进展，研究结果发表在Light：Science & Applications (2015, 4, e308) 和Advanced Functional Materials（2015, 25, 704）。在此基础上，该实验室的刘哲、唐成春工程师以及李俊杰、顾长志研究员与南开大学物理科学学院田建国教授和陈树琪副教授等合作，利用纳米天线对于入射光波偏振态调制的特性，证明了调制效率与纳米天线物理特性的关系，设计和提出了多棒纳米天线超表面结构，并利用纳米加工技术实现了样品的制备。研究结果表明多棒纳米天线超表面结构具有的等离子激元杂化和耦合，使得该超表面结构在调制效率和调制频率范围上得到了成倍的提升，更接近理论上的极限值，突破了可见光和近红外波段超表面效率低所面临的重大挑战。同时，由于该超表面具有改变圆偏振光偏振特性，因此该结构器件能够广泛应用于偏振检测、偏振分束、相干调制等纳米光学以及光子学领域。相关研究结果作为Inside back cover发表在Advanced Functional Materials (2015) 25, 5428-5434上。

该系列项工作得到了国家自然科学基金“纳米制造基础研究“重大研究计划重点及集成项目、面上基金和中国科学院的支持。

图1：(a) 多棒纳米天线超表面结构示意图；(b)不同多棒纳米天线超表面结构的异常折射光谱，随着纳米棒个数增加，光响应发生非常大的展宽并且蓝移。

图2 (a)-(d) 从1个纳米棒到4个纳米棒超表面结构的SEM图片；(e)四棒纳米天线超表面结构的左旋和右旋圆偏振光的折射角度随入射角度变化的关系；(f) 左旋和右旋圆偏振光的折射角度与波长的关系，表明此响应的宽谱特性。

图3 (a)利用多纳米棒结构将非圆偏振光分束为圆偏振光的示意图；(b)随四分之一波片旋转角度的改变，两种圆偏振光的实验和理论折射强度的周期改变；(c)任意偏振态P(2ϕ,2χ)对应的庞加莱球；(d) 任意偏振态P(2ϕ,2χ)所处庞加莱球中的大圆，其中左旋和右旋圆偏振光的强度反比与P点到两极点的距离。

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