Photonics Insights 2023年第1期综述文章：
点评：Fei Ding, Sergey l. Bozhevolnyi. Enriching surface plasmons with metasurfaces[J]. Photonics lnsights, 2023, 2(1): C02
撰稿：天津大学 许全
导读
自由空间光可以在导体和电介质之间的界面(通常是金属-空气界面)耦合成限制在表面上传播的表面波（图1a），称为“表面等离激元(SPs)”。表面等离激元最吸引人的特点是能够将光集中在二维平台上，具有突破衍射极限的亚波长光场结构，并能产生高强度局域场，为构建片上光学系统和操纵光-物质相互作用提供了重要途径。与之相对地，表面等离激元的结构尺寸，传播特性等方面不同于传统光学，若想实现高效且自由的调控，普通光学器件并不能完全胜此重任。
《孙子兵法•虚实篇》有云：“水因地而制流，兵因敌而制胜”。水的流向受到地形的“调制”，若想克敌则需根据敌人的“特性”去用兵。“水无常形，兵无常势”，面对新的挑战，则需要我们突破传统器件的概念，寻找新的解决思路。
超材料和超表面的发展迅速改变了传统光学器件的设计概念，开启了名为“超构光学(Meta-Optics)”的新领域。依靠超构光学的设计方法，可将光场的调控深度达到亚波长量级，并且二维形式的超表面能够自然地形成表面等离激元耦合、调控、传播的独立平台，其丰富的调控方式和设计自由度为表面等离激元的研究和应用提供了解决方案（图1b）。
此外，除了传统的横磁模式表面等离激元，通过特殊设计的超表面可以支持广义表面波作为特征模在其上传播，如：横电模式表面波、赝表面等离激元、布洛赫表面波和拓扑表面态等。由此可见，超构光学正是“能因敌变化而取胜者”。
近日，Photonics Insights创刊编委、美国俄克拉荷马州立大学张伟力教授联合天津大学太赫兹研究中心撰写了题为“Meta-Optics Inspired Surface Plasmon Devices”的长篇综述论文，并发表于Photonics Insights 2023年第1期。
该团队系统总结并讨论了近年来表面等离激元器件的研究进展，重点介绍了基于超构光学理论设计的表面等离激元耦合、调控、反耦合器件及其相关的新应用，最后对该领域未来的发展进行了展望。
表面等离激元耦合器件
2011年，哈佛大学的Capasso课题组提出广义斯涅耳定律的概念[1]，通过在两种介质的界面处布置一组超薄的人工单元结构作为移相器构造具有相位梯度的超表面，入射光与超表面相互作用后的再辐射波前可以被任意操控，从而改变光的透射与反射性质。
超表面的单元结构和阵列参数通常具有亚波长尺寸，能够令出射光相位在很小的尺度上得到急剧的变化，出射光方向将在空间中形成任意弯折，得到一些反常的现象。不难想象，若将超表面的相位梯度设计得足够大并满足表面上的波矢匹配条件，出射光将会“躺平”在表面上传输，形成入射自由空间光到表面等离激元的耦合。
2012年，复旦大学周磊教授课题组通过设计超表面的相位梯度匹配表面等离激元波矢[2]，在微波波段实现了自由空间电磁波到表面等离激元的高效耦合。以上人工单元结构之所以能够发挥相移器的功能，主要依赖于结构自身带来的共振相位调制。而旋转自由度带来的结构取向变化，可以在入射圆偏振光的正交偏振转换过程中额外引入与结构旋转角度相关的几何相位调制，使得表面等离激元耦合表现出与入射光自旋相关的选择性激发[3]。
此外，超表面的设计自由度可以实现对入射光束的角度、偏振、频率和轨道角动量的不同响应，通过设计单元结构的共振响应，干涉关系和近场模式耦合特性，将不同通道下表面等离激元进行多路耦合，如图2所示。
图2 基于超构光学的表面等离激元耦合器件，其主要原理与实现效果分别为：
表面等离激元片上调控器件
超构光学的发展也为表面等离激元的片上调控提供了新的思路。与传统表面等离激元耦合方法不同，超表面可以在耦合过程中调控表面等离激元波前，形成新颖的表面等离激元片上结构场分布，这将大大简化集成表面等离激元器件的设计和制造。
最直接的耦合过程调控方法是构造特殊形状的布拉格光栅槽、长狭缝或掩膜版作为表面等离激元耦合器，通过形状诱导的传播相位可以设计耦合表面等离激元的波前，但同时由于这些结构体积较大，限制了相位和振幅的调控精度。
而超构光学的发展使得亚波长表面等离激元耦合器的实现成为可能，目前已有的微纳加工技术已经可以制作出结构简单、且功能强大的亚波长级的金属狭缝谐振器和“金属-绝缘体-金属”谐振器。
以上所述的谐振器与入射光发生强烈的相互作用，再辐射能量时部分光将耦合成具有面内偶极辐射特征的表面等离激元。将这些谐振器作为超表面的设计单元，几何上改变其形状、取向角度、相对位置和排列方式，通过偶极源的谐振响应和干涉关系可以自由调控耦合表面等离激元的相位和振幅，形成表面等离激元的异常发射、片上全息、表面涡旋等特殊结构场，如图3所示。
由于单个谐振器的谐振频率和几何相位分别与结构尺寸和入射光自旋相关，功能上可以实现表面等离激元的频率、偏振和轨道角动量片上复用。时间尺度上，超构光学也为观察和调控表面特殊结构场的动态演变提供了有力的研究工具和实验平台[4]。
此外，在表面等离激元的传播路径中设置人工衍射或色散单元可以直接影响片上光信息处理和片上光学系统的构建。与此同时，超表面也可以设计为将片上表面等离激元散射到自由空间光的解耦器件。例如，利用相位梯度超表面可以将表面波高效地解耦到自由空间中，实现自由空间中的聚焦、全息以及结构光产生。
图3 超构光学实现表面等离激元片上调控
基于表面等离激元器件的应用
表面等离激元的局域场增强特性和亚波长特性使其能够适用于具有精密、紧凑、集成化等要求的特殊应用环境中，超构光学也推动了基于表面等离激元器件应用的发展，如图4所示。基于超构光学设计的表面等离激元逻辑门与超构波导，均具有高度的紧凑性和调控能力，这为片上光学信息传输与处理提供了新范式，在光学计算和超高速信息处理领域具有重要应用前景。
聚焦或者涡旋状态的表面等离激元在微小粒子操控领域中具有重要的应用，超构光学器件也为实现精准快速的多维度操控方法提供了新思路。由于电磁倏逝场的光子自旋霍尔效应，表面等离激元在片上形成的结构光场具有特殊的动力学特性和电磁特性，超构光学也为表面等离激元的光与物质相互作用研究、构筑光学拓扑准粒子提供了高设计自由度平台。
在自由空间光耦合的过程中，部分信息也会传递至表面等离激元中。目前，基于表面等离激元的偏振和角动量识别器件，已经表现出优秀的分辨能力和紧凑环境中完成测量的应用优势[5]。可见，超构光学为其未来的小型化、模块化与集成化奠定了坚实基础。
图4 基于超构光学的表面等离激元器件应用。
总结与展望
该综述回顾了超构光学表面等离激元器件的发展，包括耦合器件、片上调制器件和受超构光学启发的新兴应用。超构光学的出现彻底改变了传统表面等离激元器件的设计理念，特别是表面等离激元相关研究已经从传统的光学频率扩展到更广泛的电磁频谱，包括太赫兹和微波频率。
同时，表面等离激元器件中的超构光学也为其他系统中的器件设计提供了有价值的指导和参考，如广义表面波、拓扑表面态、光子集成电路或量子纳米光子学系统。未来，超构光学也将携同表面等离激元，引领更多方向迈入新纪元。
参考文献：
作者简介
张伟力，美国俄克拉荷马州立大学教授，美国光学学会会士，科睿唯安全球高被引学者。主要从事太赫兹时域光谱、半导体光子学、超快过程与超快现象、超构光学等研究。担任Photonics Insights创刊编委、PhotoniX副主编。
韩家广，天津大学教授，国家杰出青年基金获得者，爱思唯尔中国高被引科学家。主要从事太赫兹新型功能器件的基础研究，在基于人工电磁材料的太赫兹调控研究方面取得了一系列创新性研究成果，相关研究成果荣获教育部自然科学一等奖、中国侨界创新团队奖、天津市青年科技奖及2015年中国光学重要成果奖等。在Nature Physics、Nature Communications、Physical Review Letters、Science Advances、Advanced Materials、Light: Science & Applications等期刊发表SCI论文270余篇，被引用10,000余次。
欧阳春梅，天津大学副教授，IEEE Senior Member。主要研究兴趣：太赫兹超材料/超表面、强场太赫兹源、等离子体功能器件、拓扑表面态、超短脉冲激光器、高能量低噪声光纤激光器等。发表论文120余篇，包括Advanced Materials、Photonics Research、Advanced Optical Materials、Nanophotonics等，SCI引用2,500余次。
张学迁，天津大学副教授，中国光学学会和中国光学工程学会会员。主要研究兴趣：太赫兹超表面器件和太赫兹时域光谱技术。在Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials和Advanced Photonics等为代表的期刊上发表论文110余篇，谷歌学术总引用6,500余次，H指数39。
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