撰稿|由课题组供稿
涡旋现象普遍存在于自然界中，是物质与能量的特殊分布方式。表面等离激元涡旋位于金属和介质的交界面处，不仅具有表面等离激元的二维传播特性和强表面束缚特性，还具有涡旋光束的拓扑特性。得益于此，表面等离激元涡旋在片上粒子捕获/旋转和量子信息处理等尖端应用中具有独特的应用价值。目前，表面等离激元涡旋的激发方式多为单一圆偏振入射下的单一涡旋激发，缺乏更高自由度的激发方法。另外，不同表面等离激元涡旋之间的干涉效应也未得到深入研究。
近日，天津大学、天津师范大学、桂林电子科技大学、美国纽约城市大学、美国俄克拉荷马州立大学联合攻关，提出了一种自旋解耦的表面等离激元涡旋激发方法，并基于此进一步构建片上表面等离激元涡旋干涉仪，在几个平方波长的紧凑范围内实现了对入射光束偏振和角动量信息的高精度测量。研究成果以“On-chip plasmonic vortex interferometers”为题于2022年8月7日在线发表在《Laser & Photonics Reviews》上。
研究团队以成对的亚波长金属狭缝谐振器为单元结构组成环形耦合器件，利用振幅相位同时调控的方式实现任意个数的表面等离激元涡旋激发。进一步地，将两个半径相差四分之一波长的环形耦合器相组合（见图1），利用自旋相关的几何相位和自旋不相关的传播相位合理设计不同涡旋激发之间的干涉，可以在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光入射下分别独立地实现任意数目、组分、拓扑荷的表面等离激元涡旋激发。实际器件的显微镜照片如图1b所示，环形激发区域的半径仅为5个波长左右。
图1. (a, b) 表面涡旋干涉仪的示意图和样品照片；(c-e) 设计原理图。
偏振代表着光的矢量特性，在光通信、传感、成像等领域有着非常重要的应用。为了确定一束光的偏振态，需要测量正交偏振分量的振幅和相位差，然而可见光或者红外频段的光学相位很难被直接测量。传统偏振测量需要调整一组偏振片或波片，从多次强度测量结果中反解光学相位，整体占用空间较大并且测量速度受限。研究团队基于所提出的激发方法构建片上表面等离激元干涉仪PVI-3，可以将入射光中的左、右旋圆偏振分量分别耦合为0阶和+3阶的表面等离激元涡旋，在不需要额外光学器件的前提下将完整偏振信息储存在表面等离激元干涉图案中（见图2）。实验结果与理论和计算结果吻合良好，归一化的S参数平均误差仅为0.06左右。
图2. (a) 庞加莱偏振球；(b)设计示意图；(c-f, j-m) 不同偏振态入射下的表面等离激元干涉图案；(g-i, n-p) 理论、计算、和实验测得的归一化S参数。
圆偏振态的涡旋光束同时携带光学自旋角动量和光学轨道角动量，在光镊、成像以及复用通信等领域具有重要的应用价值。然而，自旋和轨道角动量的同时测量却比较困难，目前所报道的方法不同程度上存在体积较大、分辨率较差等问题。针对于此，研究团队构建片上表面等离激元干涉仪PVI-4，可以将不同自旋和轨道角动量的入射光耦合为不同的表面等离激元干涉图案（见图3）。相对于已报道的方法，本文提出的方案不仅整体工作体积紧凑，而且对于相邻拓扑荷、以及较大拓扑荷的轨道角动量具有良好的分辨能力。此外，研究团队还讨论了构建表面等离激元干涉仪测量矢量光束的可行性。
图3. (a)设计示意图；(b-d)不同自旋和轨道角动量的计算和实验结果。
本论文提出的激发方法简单而通用，可以被直接推广至可见光或者红外波段，推动表面等离激元涡旋相关基础研究和实际应用的发展。所提出的测量方法丰富了光学干涉仪的范式，可以进一步被推广至集成光波导、光纤端面、量子光学等不同体系中。
该工作得到了国家自然科学基金、天津市杰出青年基金等项目的支持。天津大学博士生郎元灏为该论文的第一作者，天津大学许全副研究员、韩家广教授以及美国俄克拉荷马州立大学张伟力教授为论文的共同通讯作者，天津大学张学迁副教授、天津师范大学康明教授、美国纽约城市大学Andrea Alù教授对本工作也做出了重要贡献。
论文信息
Lang, Y., Xu, Q., Chen, X., Han, J., Jiang, X., Xu, Y., Kang, M., Zhang, X., Alù, A., Han, J., Zhang, W., On-Chip Plasmonic Vortex Interferometers. Laser & Photonics Reviews 2022, 2200242.
https://doi.org/10.1002/lpor.202200242
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