超表面新进展:高效宽带异常折射和偏振分束

超表面(Metasurfaces)是一种由周期性人工微结构形成的超薄二维阵列平面,可实现对入射电磁波的相位、振幅和偏振的灵活调控,是近年来超材料(Metamaterials)研究的最新发展方向。自2011年美国《科学》杂志发表了通过超表面实现电磁波异常折射和反射的相关工作后,超表面在光束偏转、偏振转换、平面透镜、矢量光束生成、全息成像以及传播波向表面波转化等新颖的电磁波研究领域表现出了极大的研究价值和广泛的应用前景。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。

(a)-(d) 多棒超表面结构; (e) 不同入射角度和(f) 入射波长下左旋光和右旋光折射角度分布。             

南开大学田建国教授和陈树琪副教授及其团队在超表面圆偏振光相位调控方面取得了突破性的进展,解决了超表面异常偏转光束效率低和工作波段窄的问题,相关研究成果发表在Advanced Functional MaterialsDOI: 10.1002/adfm.201502046)上。作者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的物理特性的关系,进而提出了多棒纳米天线超表面结构。该结构中每一个单元可以视为一个非完美偏振片,对入射光波的相位和振幅的调制均能由每个单元的旋转方向确定。不同于之前提出的基于单棒结构的梯度渐变超表面结构,多棒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,该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。