撰稿|由课题组供稿
近日，复旦大学团队在超构表面调控表面等离激元近场领域展开了深入研究，提出了一种利用梯度相位超构表面耦合等离激元片上光学系统的新方法。研究成果以“Efficient Meta-couplers Squeezing Propagating Light into On-Chip Subwavelength Devices in a Controllable Way”为题发表在Nano Letters上。复旦大学博士生陈宜臻和博士生郑晓颖为共同第一作者，复旦大学光科学与工程系孙树林教授和物理学系周磊教授，以及天津师范大学刘飞飞博士为通讯作者。
在现代光学的发展过程中，光学器件及系统走向小型化、片上化、多功能化一直是人们梦寐以求的未来方向。表面等离激元模式由于具有亚波长和局域场增强等特点，受到了纳米光学领域研究人员的广泛关注。基于表面等离激元的片上光学器件可以突破衍射极限的限制，从而提升光学系统的集成度；并且还能够构建高度局域、非均匀的近场光学环境，在增强光与物质相互作用方面具有独到优势。然而，由于波矢失配和模式体积差异等因素的制约，外界自由空间光难以高效耦合片上光学系统中的局域光场模式，这是一个领域内长期受到关注的基本问题。
图1 三种不同的片上系统耦合方法。（a）拉锥光纤耦合法。（b）光栅耦合法。（c）超构表面耦合法。
人们曾提出很多传统方法来耦合片上光学器件。早期，研究者们多是通过激发光直接照射片上器件的方法来对其耦合，然而光斑的尺寸远大于纳米尺度的器件，因此大部分入射光能量将会散射回自由空间，造成很强背景噪声的同时，片上体系的耦合效率也很低；另外也有学者利用拉锥光纤从面外对准光学器件的方法来进行耦合，如图1（a）所示，这种方法效率虽高，却也存在力学不稳定、体积大、难以集成等挑战；还有一种常用方法则是光栅耦合法，如图1（b）所示，然而光栅依然是波长尺度的器件，另外多模式激发的特点也会限制其耦合效率。
针对上述传统耦合方法中所存在的问题，该工作提出了一种基于超构表面高效率耦合片上光学系统的新路线。在近红外波段，通过设计两维几何相位梯度超构表面实现在两维方向的波矢补偿，从而能够把自由空间光以51%的高效率转化为聚焦表面等离激元，并耦合进入特定位置的等离激元波导。进一步通过几何相位与共振相位的梯度的共同利用，可以设计超构表面实现入射光自旋偏折选择的双波导耦合，如图1（c）所示。
具体来说，在该工作中，研究人员首先设计了一种具有二维几何相位分布的超构表面耦合器。该耦合器在圆偏振光的入射下的反射相位分布如下：
其中，
表示初始相位，
为表面等离激元的本征波矢，F为一常数，表示焦距，
表示入射圆光的自旋。从上式右边第一项可以看出，超构表面在X方向产生的相位梯度大小为
，因此能够实现X
方向的一维波矢补偿，耦合出表面等离激元。同时，该耦合器还能够在y方向产生一个抛物线型的相位分布，从而给产生的表面等离激元提供一个y
方向的波矢补偿，进而调控所产生的表面等离激元的波前，把它们聚焦到一点。再考虑到几何相位的自旋依赖特性，该超构表面耦合器的功能如图2（a）所示，在左旋圆偏振光的入射下，能够把入射光转化为表面等离激元并聚焦到片上一点，而在右旋光下，则会激发相反方向传播的发散波前的表面等离激元。通过预先设计的一个满足完美半波片性质的高效几何相位超构原子，基于几何相位原理构建了满足式（1）相位分布的超构表面真实结构，图2（b）为相应的样品SEM照片。而后利用泄漏模显微测试系统对该样品在左右旋光分别入射下产生的表面等离激元进行测试成像，结果如图2（c，d）所示，样品分别产生了向左聚焦与向右发散的表面等离激元。图2（e，f）为相应的模拟结果。可以看到，设计、实验、仿真三者相互吻合，验证了该超构表面耦合器的表面等离激元激发聚焦能力。
图2 几何相位超构表面耦合器的设计与表征。（a）超构表面耦合器的功能示意图。（b）样品照片。（c，d）超构表面在左右旋光入射下的实验测试结果。（e，f）超构表面在左右旋光入射下的仿真模拟结果。
接着，研究人员进一步将超构表面与等离激元波导体系进行集成。如果3（a）所示，设计了一根等离激元波导，使波导的一端对准聚焦表面等离激元的焦点位置，从而实现基于超构表面把大面积自由空间光高效耦合注入等离激元波导之中。值得注意的是，由于所设计的等离激元波导模式与附近金属界面的表面等离激元模式的本征波矢及光场分布差异较小，解决了体系的散射损耗问题；另外，超构表面将自由空间光转化为聚焦的表面等离激元后，光场的体积也被大大压缩至纳米尺度，解决了两者模式体积的差异，这是超构表面能够高效耦合片上波导体系的关键因素。基于这一思想，该团队加工了图3（b）所示的超构表面与等离激元波导的集成光学系统。相应的表面等离激元泄漏模测试结果与全波仿真结果非常吻合（如图3（c，d）所示）。可以看到聚焦的表面等离激元高效耦合进入了片上波导之中，体系中的散射损耗几乎可以忽略，模拟计算所得的波导耦合绝对效率可达51%。
图3 超构表面耦合等离激元波导的设计与表征。（a）耦合体系设计示意图。（b）样品照片。（c，d）超构表面在左旋光入射下耦合波导的泄漏模实验测试结果与全波仿真结果。
复旦团队还进一步提出一种超构表面体系可实现多波导体系的选择性耦合激发，如图4（a）所示。通过对超构原子进行优化设计，使得它可以同时调控几何相位与共振相位，如图4（b）所示。并利用这一超构原子构建一个复合相位超构表面，从而使得该超构表面在左右旋光分别入射下能够产生两套独立的相位：
其中
分别表示超构表面在不同自旋偏振光照射下激发的左右两边聚焦表面等离激元的焦点位置，从而实现利用入射光自旋选择性耦合等离激元波导系统，该体系对应的样品SEM图如图4（c）所示。从图4（d，e）所示的实验结果与图4（f，g）所示的模拟结果中可以看到，超构表面在左右旋光分别入射下，分别成功耦合了左上方和右下方位置的等离激元波导，与理论设计非常吻合。
图4 超构表面实现自旋选择耦合等离激元波导体系的设计与表征。（a）体系功能示意图与复合相位超构表面原子的示意图。（b）超构原子的偏振转化率（PCR）与共振相位随着其工字环圆心角
的变化关系（d，e）左右旋光分别入射下的泄漏模实验测试结果。（f，g）左右旋光分别入射下的全波仿真结果。
这一思想还可以拓展至其他片上光学器件的耦合，相比传统方法具有巨大的优势。例如，该工作通过仿真计算对比了超构表面耦合法与直接激发法对一个由银纳米球/介质薄膜/金属反射镜组成的等离激元纳腔体系的激发能力，如图5（a，b）所示。从图5（c，d）展示的光场空间分布中可以看出，对直接激发法而言，大部分入射光都被反射回了自由空间，这不仅降低了激发效率，也会造成很大的背景干扰；相比来说，通过超构表面把附近区域的入射光能量高度压缩并聚集在纳腔体系附近，不仅提升了耦合效率，也可以避免这种背景散射信号的干扰。另外需要强调的是，直接照射法无法提供纳腔模式所需的垂直方向电场分量，超构表面激发法产生的聚焦表面等离激元具有腔模所需的垂直电磁分量，能量也被高度局域化，因此其激发强度也比直接激发法提高了近两个数量级（如图5（e，f）所示）。这为增强荧光、量子点激发等光物相互作用提供了更强大的平台。
图5 直接激发法与超构表面耦合法激发等离激元纳腔的对比。（a，b）直接激发法与超构表面耦合法激发等离激元纳腔的示意图。（c，d）模拟得到的两种激发方法的整体场分布效果对比。（e，f）模拟得到的两种激发方法的对应的银纳米球中心𝑦 − 𝑧截面上的场分布。它们中右上角的曲线图是这两种情况下银纳米球底部截线上的场增强数据，其中直接激发法最大场增强为28倍左右，超构表面耦合法最大为1140倍左右。
Yizhen Chen, Xiaoying Zheng, Xiyue Zhang, Weikang Pan, Zhuo Wang, Shiqing Li, Shaohua Dong, Feifei Liu*, Qiong He, Lei Zhou*, and Shulin Sun*，“Efficient Meta-couplers Squeezing Propagating Light into On-Chip Subwavelength Devices in a Controllable Way”，Nano Letters. DOI: doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00310.
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00310
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