Laser & Photonics Reviews:驾驭消逝波——一种新型的各向异性超构表面

消逝波是被局域于物质表面的一种电磁波。消逝波广泛存在于自然界,例如纳米光源(如量子点、N-V色心、荧光分子等)中的非辐射部分、表面等离激元波、发生全反射时被局域在界面处的光波、速度低于光速的带电粒子所携带的电磁波等。消逝波可以携带大量的能量和重要的信息,因此它在许多领域都被深入的研究和探讨,如光学超分辨成像和光刻、生物传感、自由电子光源以及能源等方面。然而,由于消逝波的局域特性,我们在有效获取和操控消逝波所携带的能量和信息方面一直存在较大的困难。

针对这一问题,美国东北大学的刘咏民教授课题组最近提出了一种新的各向异性超构表面结构设计,可以有效得将消逝波辐射到远场;与此同时,辐射光场的相位和偏振都可以通过超构表面的设计而准确地控制,从而对消逝波的辐射进行完全的集成操控。该工作将超构表面在远场光学的研究和应用拓展到了近场光学这一重要领域。文章的第一作者为李林博士,现为华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室研究员。

在此项工作中,刘教授的团队采用了基于C形金属纳米孔阵列的各向异性超构表面。在消逝波的激发下,C形金属纳米孔可以同时支持结构面内的磁偶极子以及垂直于结构表面的电偶极子。这两种偶极子都可以诱导远场的电磁辐射,并且其对应的辐射分量之间存在一定的相位差。通过改变C形孔的开口方向α,我们可以改变磁偶极子和电偶极子所诱导的远场辐射分量的大小,进而改变辐射场的相位。当C形孔的开口方向转动一圈(0°-360°),辐射场的相位可以实现0-2π的相位改变。利用这种原理,可以将各种形式的消逝波转化为远场辐射光,同时对辐射光的波前进行集成的调控。在该工作中,刘教授的团队对带电粒子的Smith-Purcell辐射进行了调控,并通过光学全反射的机制对操控Smith-Purcell辐射进行了全光学的模拟和验证。他们研究并实现了对消逝波产生的远场辐射的聚焦,证明了这种新的相位调控方法的有效性和准确性。同时,该各向异性超构表面也可以对辐射场的偏振态进行调制。作者通过理论、数值模拟和实验证明,辐射场的偏振态为线偏振光,其偏振方向与C形孔的开口方向一致,并会随着C形孔的开口方向的转动而改变。

值得指出的是,此项研究工作中的相位调控方法与大部分超构表面调控相位的方法不同,是一种新的超构表面相位调控方法。此前的超构表面相位调控工作或者是通过同样的微纳结构的转动对圆偏振光的几何相位进行调控,或者是通过微纳结构的尺寸改变来调整其共振波长,从而对线偏振光的相位进行调控。该工作则可以通过同样的微纳结构的转动而对线偏振光的相位进行调控,降低了线偏振光相位调控对微纳加工的要求。此项研究工作为提取和探索消逝波所携带的近场能量和信息提供了一个崭新的思路,对于在集成光学的研究和应用方面具有很好的潜力。这个工作也将进一步激发与超构表面及消逝波相关的研究,包括近场光能量的获取和转换、集成的自由电子光源、近场的传感等。相关论文在线发表在Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.201900244)上。