Advanced Optical Materials:相干控制方法让超表面更高效——基于相干控制的太赫兹手性选择吸收与波前调控超表面

近年来,手性超表面因其高效的手性特性以及灵活的设计手段而备受关注。但是由于单层亚波长厚度的金属超表面在效率上存在不可克服的限制,现有的手性超表面大部分都使用多层的设计来增强效率,不仅增加了超表面的厚度,同时也使加工流程更为复杂。对比之下,相干控制方法可以使单层超表面器件实现对入射电磁波的高效调控,即让两束相干的电磁波从超表面的两侧以相同的强度同时入射,利用反射和透射电磁波的干涉叠加来突破单层超表面的限制。更重要的是,相干控制方法还能通过改变两入射波束的相位差来实现对超表面效率的主动控制,调控深度可达100%。因此,相干控制是一种设计高效、可调手性超表面的有效手段。

此前,天津大学太赫兹研究中心韩家广课题组张学迁等人和天津师范大学康明副教授合作的多个太赫兹相干控制工作均证实了上述相干控制方法在效率提升和主动控制方面的优势,包括相干自旋-轨道角动量转换(Advanced Materials, 29, 1604252, 2017)、双频带相干吸收(Physical Review Applied, 9, 054018, 2018)、相干大角度完美衍射光栅(Advanced Materials, 32, 2002341, 2020)等。在本项工作中,该合作团队又提出将相干控制方法应用于手性超表面的设计中,用以提高单层手性超表面的手性响应。该超表面由单层金属铝制成,单元结构由具有不同旋向角的双开口环孔结构组成的二维手性结构。在相干对称入射条件下(两束太赫兹波到达超表面的相位差为0),太赫兹波与超表面的相互作用最强:入射的右旋圆偏振光几乎被完全吸收,而入射的左旋圆偏振光则几乎被完全转换为右旋圆偏振光出射。当逐渐增加两束入射波束间相位差时,吸收效率和偏振转换效率都将降低,并在相位差为±π时降为0,此时超表面对于入射太赫兹波没有调制效果。当进一步增加相位差至±2π时,吸收效率和偏振转换效率又将逐渐升高至相干对称入射时的状态。理论分析发现,这种响应可用耦合模理论和近场电场分布进行很好地解释。若采用镜像结构作为超表面的单元结构,则相应的手性响应则会反转。

由于所设计的单元结构具有高效手性选择吸收特性以及偏振转换特性,这意味着利用该结构设计的相干控制波前调控器件可避免寻常出射项和共轭出射项之间的串扰,既省去了交叉极化的提取过程,又可以使输出波前更加干净,为实现手性选择的无串扰波前调控提供了可能。为了验证上述推论,课题组利用几何相位方法设计了3种不同的梯度相位奇异光栅:第1种奇异光栅在相干对称入射下可将一种圆偏振入射波完全吸收,而将另一种圆偏振入射波产生的出射波偏折特定角度出射;第2种和第3种奇异光栅则进一步引入了复合相位设计方法,将两种具有相反手性调控特性的单元结构组合使用,在相干对称入射下可将两种圆偏振入射波产生的出射波偏折到不同角度出射,且偏折角度可不受几何相位的共轭特性限制。实验结果和预期结果高度吻合,验证了该设计方法的有效性。

该项工作在太赫兹波段有效利用了相干控制方法实现了高效率的手性选择吸收,并进一步实现了手性选择的波前调控,在可调谐偏振控制、手性成像和探测方面具有研究价值,为相干控制调控技术的实际应用提供了理论和实验基础。相关论文以“Coherent Chiral-Selective Absorption and Wavefront Manipulation in Single-Layer Metasurfaces”为题发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.202001620)上。天津大学精密仪器与光电子工程学院韩家广教授、青年教师张学迁,以及天津师范大学物理与材料科学学院康明副教授为论文共同通讯作者,天津大学硕士生张紫莹为论文第一作者。最后,感谢国家自然科学基金委对该项工作的资助。