圆偏光入射下手性依赖的表面等离激元波前调控器的制作方法

本发明是电磁特异介质(meta-materials)超表面技术领域，具体涉及圆偏光入射下手性依赖的表面等离激元波前调控器。

背景技术：

自然界常见的材料，如玻璃对光的折射率是1.45，金属对光的介电参数一般为负，这些现象起源于自然材料是由分子或原子构成的，分子和原子对外界电磁波的响应决定了这个材料的电磁性质。电磁特异介质的思想就是通过精心设计某种人工的“分子和原子”(meta-atom)，通常称之为特异介质单元，将其以某种排列形式组合成(二维或者三维)阵列，构建自然界原本不存在的特定电磁参数，便能得到特定电磁波调制功能的“表面”或者“晶体”，从而实现负折射、电磁隐身等奇异光学现象。电磁特异介质大大扩展人们调控电磁波的自由度，具有广泛的应用前景,其中，电磁特异介质表面(meta-surface)的厚度远小于工作波长，因此可以将其视为表面结构，由于其损耗小、易于制备、调控手段丰富等优异特性而备受关注。

表面等离激元(spp)是约束在金属和介质交界面的一种电磁本征态，由于其局域场增强和亚波长分辨特性，spp在超分辨成像、生物化学传感、芯片光子电路领域具有广泛的应用前景，显然，spp的高效耦合和波前调控是实现这些应用的基础。传统类型的spp耦合器主要有棱镜和光栅等器件，它们的体积相对于波长很庞大，不利于光路集成化，而且都存在只对线偏振工作、耦合方向不可调等缺陷。传统的spp调控器件主要有圆柱状、三角介质盘等传统光学元件，以及在平板等金属上刻槽、孔、细缝等微结构，利用布拉格散射操控sws的波前，但是由于这些器件的尺寸相对于波长比较大或效率低，不利于高度集成的芯片光子学应用。随着超材料和超表面的发展，人们发现电磁超表面可以实现对spp的激发和调控，超表面实现spp激发主要有单元结构共振引发的共振型超表面和单元空间旋转引发的几何型超表面。

共振型电磁特异介质表面(resonancemeta-surface)是通过改变人工原子的共振尺寸实现局域相位的调控，进而实现spp激发的。例如，可以设计不同尺寸的人工原子使得其相位响应随着位置呈梯度分布，该相位梯度可以为入射波提供额外波矢，实现异常反射及表面波(sw)的激发等，将入射波转化为表面波(sw)再通过与之匹配的本征结构将sw导引到本征板，此时在本征板上的本征模式称之为类表面等离激元(spoofspp或者spp)，而将传播波最终转化为spp的转置称之为spp耦合器。虽然这种类型的耦合器效率可以接近100％，但是只对tm偏振工作，而且耦合方向是固定的不可调的。

几何相位(pancharatnam-berry(pb)，或者称之为几何berry相位)告诉我们，不需要调整特异介质单元的结构尺寸，仅仅通过转动特异介质单元的主轴就可以调制反射相位和透射相位，并且保持反射率和透射率模值不变。pb相位的应用大大减少了设计共振电磁特异介质表面的工作量和工艺误差带来的影响，只需要对原胞进行旋转就可以得到需要的相位梯度，并且得到的相位梯度对于不同手性的入射光是相反的，这个特征决定了我们可以通过改变入射光的手性来改变spp耦合方向。这两类工作解决了spp的激发问题，然而，激发出spp的波前类似于平面波波前，并没有得到有效的调制。

本发明应用电磁特异介质超表面(meta-surface)的原理，结合共振型和几何型电磁特异介质表面的特点，通过对特异介质单元(meta-atom)的尺寸和空间转角的设计，构建共振相位和几何相位梯度，构造出了圆偏光(cp)入射下效率约70％的表面等离激元(spp)耦合调控器，用一个器件同时实现了spp的高效激发与波前调控。在左旋圆偏振光入射下可以在左侧激发spp同时实现spp的点聚焦，在右旋圆偏振光入射下可以在右侧激发spp同时实现spp的波束偏折。相较于前人提出的spp耦合器件和spp调控器件，这种高效灵活可调的spp耦合调控器集成了spp耦合与调控两种功能，极大的增强了人们对电磁波行为调控的能力。

技术实现要素：

本发明的目的在于设计一种圆偏光入射下手性依赖的表面等离激元波前调控器，可通过改变入射光的手性调节耦合出spp的波前和方向，极大的增加人们对电磁波调控的灵活性。

本发明设计的圆偏光入射下耦合方向、波前可调的表面等离激元耦合调控器，在圆偏光入射下可高效率耦合spp并实现spp的波前调控，因为线偏可以分解为左右旋圆偏光，线偏光入射下两个相反方向均可耦合出spp并且这两个方向的spp具有不同的波前，通过调节入射光的偏振态可以调节耦合到两个相反方向spp的比例。

本发明设计的圆偏光入射下高效率且耦合方向及波前可调的表面等离激元耦合调控器，由激发区域，和拼接在激发区域左右两侧的结构相同的两个本征区域组成；对于圆偏光能实现spp高效率耦合的同时实现对spp波前手性依赖的调控；对于圆偏光为左旋情形，对spp波面实现点聚焦调控；对于圆偏光为右旋情形，对spp波面实现波束偏折调控；其中：

所述激发区域，由特异介质单元(也称原胞)沿轴方向和沿轴方向进行二维周期延拓得到；其周期延拓方式：沿轴方向延拓的原胞为不同尺寸且具有不同初始旋转角度延拓尺寸为3-24个波长(实施例中，本装置设计的聚焦焦距为120mm,延y方向延拓为3.35倍焦距即16个波长；针对具体焦距，延y方向延拓尺寸根据焦距可调整为焦距的0.5-5倍为宜，即成对应的波长范围约为：3-24个波长，优选5-16个波长)；沿轴方向延拓，是满足高效条件的同一尺寸的原胞依次旋转相同的角度；即以第一个原胞旋转角度为为基准，第二个原胞旋转角度第三个原胞旋转角度…，第n个原胞旋转角度(n-1)其中，n为激发区域沿方向原胞个数。

本发明中，所述的原胞即特异介质单元是一种“金属微结构/电介质/金属衬底”三明治结构体系，具有镜面对称性，其结构如图1和图2所示，即从上而下依次为金属微结构、电介质、金属衬底，空隙处为空气；上层金属微结构为圆弧工字形结构(两侧对称的圆弧由中间横杠连接构成)，中间的电介质层为各向同性的均匀介质；

本征区域为“电介质/金属衬底结构”，即激发区域去掉上层微结构，其结构如图3和图4所示；将本征区域拼接在激发区域的左右两边，即构成所需spp耦合调控器，如图5所示。

特异介质单元的圆弧工字形结构中，记：单元长度(即延拓周期)为p，两侧圆弧的长度分别为a1，记中间横杠长度为a2，两侧圆弧的宽度分别为a3，金属微结构的厚度为a5，电介质厚度为a4＝3mm，金属衬底厚度为a6。

本发明首先利用原胞的几何旋转引入pb相位高效耦合出spp,需要设计高效的pb单元(即原胞)，根据前人的研究可知，对于镜面对称结构，就是需要设计半波片，即偏振方向与偏振方向对于反射波有π的相位差。本发明设计的结构如图1和图2，其半波片性质很好，而且改变结构尺寸，其半波片性质依然很好，这样，就得到了一系列不同尺寸的高效pb单元。

然后，将设计好的高效pb单元沿着方向周期延拓，并进行旋转,相邻原胞旋转角度间隔为当入射波为lcp(rcp)，反射波的rcp(lcp)获得了一个附加的几何berry相位梯度即沿方向获得一个额外反射相位梯度±ξ；正入射时，当这个额外相位梯度ξ＞k0(k0为真空中电磁波波矢)时，入射圆偏光被束缚在激发区域表面形成表面波，形成的表面波会被导引到与之对接的本征区域，形成spp。激发区域可以将入射波全部转化为sw，另外本征区域支持的spp波矢与激发区域相匹配，使得激发的sw能高效的耦合到本征区域，最终实现传播波到spp的高效率耦合，由于本发明设计了一系列不同尺寸的高效pb单元，因此，改变原胞尺寸均可高效激发出spp，至此，构建了几何相位超表面，实现了spp的高效激发。

随后，需要对激发出spp的相位进行调控，首先，保证几何相位超表面的x方向为全同原胞且相邻原胞旋转角度间隔为不变，这样就保证了在x方向对左、右旋光分别具有相位梯度±ξ，即在左右两侧激发出spp。改变几何相位超表面原胞尺寸，使得导引出的spp具有与入射光手性无关的相位φrespp，通过模拟计算，得到φrespp与原胞尺寸的关系(参见图12所示)；改变其第一个原胞的旋转角度，使得导引出的spp具有手性依赖的相位±φpbspp，通过模拟计算，得到φpbspp与初始原胞空间转角的关系(如图12，)。通过在y方向设计高效结构单元的尺寸及其初始原胞旋转角度，对于左、右旋圆偏振入射光便可高效激发spp的同时得到两套spp相位分布：

φrespp(y)+φpbspp(y)和φrespp(y)-φpbspp(y)，

根据需要实现的波前进行设计，对于左、右旋圆偏光入射，设计导引出spp相位分布分别满足：

和φrspp(y)＝-kspp×y×sinθ，

分别为spp的点聚焦和波束偏折所需要的相位分布，这样就可以反推出每一行所需的φrespp(y)和φpbspp(y)，进而得到每一行原胞的尺寸和初始旋转角度。

作为一个例子，本发明设计了一个spp耦合调控器件，在左旋光照射下在结构左侧激发spp并实现spp点聚焦，焦距f＝120mm；在右旋圆偏振光照射下，在右侧激发spp并实现spp波束偏折，偏折角度θ＝30°。所设计的结构为：原胞大小为6mm×6mm，(即周期长度p为6mm)，设金属微结构的厚度为a5，圆弧工字形结构的中间金属条(横杠)的长度为a2，圆弧工形结构的左右两端圆弧的长度为a1，金属微结构各部分的线宽为a3，金属微结构的结构参数为：a5＝0.036mm，a2＝4.6mm，a1＝2.72～6.28mm不等,a3＝0.2mm，电介质厚度a4＝3mm，金属衬底厚度a6＝0.036mm，如图1、2所示。同样的，本征区域为“电介质/金属衬底”，即激发区域去掉上层微结构，其结构参数为：电介质厚度a4＝3mm，金属衬底厚度a6＝0.036mm，如图3、4所示。将设计好的激发区域和本征区域组合为spp耦合调控器，如图5所示，其工作中心频率为12ghz，全波模拟耦合效率约为70％，我们通过模拟和近场扫描两个方面验证了设计的spp耦合调控器的高效率耦合及波前调控特性，实验与模拟相互吻合。

此设计结合了与手性无关的共振型相位和与手性相关的几何pancharatnam-berry(pb)相位，使得该spp耦合调控器集spp激发与波前调控于一体，同时实现了spp的高效耦合和波前调控，另外，改变入射光的手性，耦合出的spp还可以具有不同的波前。我们设计的装置工作在12ghz，通过比例缩放或重新设计特异介质单元的结构参数，便可以将工作频率推广到任意其他频率范围。

本发明中，激发的spp的方向由入射光的偏振决定，可以分别在左/右侧本征区域激发；同时他们的波前调控功能可以实现完全独立调控，本发明实现了spp的点聚焦/spp的波束偏折两种调控功能,效率约70％。相较于前人提出的spp耦合器件和spp调控器件，本发明将spp的高效激发和波前调控两种功能合二为一，具有系统简单、功能集成、超高效率、波前独立可调等众多优点，对基于芯片上的近场调控具有巨大的应用潜力。

附图说明

图1：激发区单元的结构图示(顶视图)。

图2：激发区单元的结构图示(侧视图)。

图3：本征区单元的结构图示(顶视图)。

图4：本征区单元的结构图示(侧视图)。

图5：由激发区域和本征区域共同构成的spp耦合调控器效果图。

图6：激发区域实物图。

图7：本征区域实物图。

图8：激发原胞阵列的相位曲线，“fdtd”表示有限时域差分计算。

图9：本征区域的色散曲线。

图10：由激发区域和本征区域共同构成的spp耦合器实物图(竖直方向显示真实结构的一部分)。

图11：fem计算出来的spp耦合方向随入射光手性改变而改变，其中ez表示spp某一电场分量，rcp表示右旋光，lcp表示左旋光。70％表示理想情况下spp耦合器的耦合效率。

图12：原胞尺寸和初始原胞旋转角度对耦合出spp相位及效率的影响图。

图13：波前调控效果验证图。图a为所设计样品的每一行在y方向周期延拓后，当左旋、右旋圆偏振入射下耦合出spp的相位和效率，图b、c分别为将图a中的相位和效率信息作为电流源模拟出的聚焦和偏折效果图。

图14：近场spp强度探测示意图。由圆偏喇叭发出圆偏振光垂直入射在所设计的样品上，用探针接收探测左右两块区域的近场ez分布，探针和入射圆偏喇叭之间由网络分析仪连接。

图15：实验测量近场结果图。实验测量了工作频率12ghz和非工作频率13ghz的近场图。

具体实施方式

本发明设计关键是实现高效的传播波(pw)到sw的转化，同时调控耦合出的spp相位。前者需要设计全同的高效原胞在x方向依次旋转相同角度利用pb几何相位引入x方向的相位梯度实现，后者在保证x方向原胞全同且旋转角度的梯度不变的情况下，通过调控每一行原胞的尺寸和初始原胞的旋转角度实现。

通过时域有限差分法(fdtd)和有限元(fem)的电磁波计算程序包模拟，分别设计激发原胞和本征区域。激发原胞具有镜面对称性，由三层结构构成：

第一层是圆弧“工”字型完美金属片(pec)，其结构参数：a5＝0.036mm，a2＝4.6mm，a1＝2.72～6.28mm不等,a3＝0.2mm，周期p＝6mm，如图1、图2所示。

第二层为各向同性的均匀介质，其相对介电常数为3，相对磁导率为1，相对电导率为0，厚度为a4＝3mm，如图1、图2所示。

第三层为完整的完美金属层，厚度为a6＝0.036mm，如图1、图2所示。

本征区域由二层结构构成：

本征区域为“电介质/金属衬底”，即激发区域去掉上层微结构，同样的，电介质厚度a4＝3mm，金属衬底厚度a6＝0.036mm，如图3、图4所示。

将激发区域和本征区域组合构成spp耦合器，激发区域由原胞沿和轴方向二维延拓得到，沿轴方向延拓为周期平移，同时，特异介质单元以角度50.62°顺时针依次旋转，沿轴方向延拓为沿轴方向延拓得到的特异介质单元阵列进行周期平移，构成阵列作为激发区域，入射波将得到额外的反射相位梯度：

其中,p为原胞周期，与本征区域12ghz时的波矢kx＝1.172k0(如图9)相匹配，组合得到的spp耦合器如图10所示。用fem方法模拟其耦合spp场分布如图11所示，当左旋和右旋电磁波照射spp耦合器，可以分别在左侧和右侧激发出spp,计算可得其耦合效率为70％。

随后，对于前述spp耦合器，分别改变原胞弧长a1和初始原胞旋转角度用fem方法计算其耦合出spp的相位，调整尺寸a1激发出spp相位为φrespp，如图12左边所示；调整初始旋转角度激发出spp相位为φpbspp，如图12右边所示。我们发现调整尺寸a1和初始旋转角度对耦合出spp相位的调控分别是手性无关和手性依赖的，并且二者相互独立。对于左、右旋圆偏振入射光可高效激发spp的同时得到两套spp相位分布：

φlspp＝φrespp+φpbspp和φlspp＝φrespp-φpbspp，

根据我们所需要实现的波前进行计算设计，对于左、右旋圆偏光入射，设计导引出spp相位分布分别满足：

φrspp(y)＝-kspp×y×sinθ，

便可以反推出每个y处所需的：

φrespp(y)＝(φlspp(y)+φrspp(y))/2和φpbspp(y)＝(φlspp(y)-φrspp(y))/2，

对照图12，便可得到每个y处所需的原胞尺寸和初始旋转角度，即得到了所需要的spp耦合调控器的激发区域，所设计的结构详细参数如表1所示。将激发区域和本征区域进行拼接构成spp耦合调控器，如图5所示，入射圆偏光照射在激发区域，便可在本征区域导引出具有特定波前的spp。

随后，进行概念验证，把所设计的样品每一行作为一个周期在y方向周期延拓得到spp耦合器后，计算当左旋、右旋圆偏振入射下其耦合出spp的相位和效率，并将不同y处左、右旋得到的相位和效率信息作为电流源进行模拟。如图13所示，对于左右旋电磁波入射，分别在左右侧激发出聚焦和偏折的spp,验证了我们的预言。

实验和检测，制作大小为500×500mm²印刷电路板(printcircuitbroad)，中间的各向同性均匀介质为介电常数为3的介质板。在介质板的整个下表面镀上厚度为0.036mm的铜膜，上表面印刷出前述激发单元。

实验例：spp耦合波前和方向调控效应手性测试

用图14所示的近场spp强度探测实验架构探测左右两块区域的近场spp强度分布，由圆偏喇叭发出圆偏振光垂直照射在所设计的样品上，用探针接收探测ez分布，探针和入射圆偏喇叭之间由网络分析仪连接。

实验测量中心工作频率12ghz的近场分布，左旋光(lcp)照射激发区域，近场扫描左右两侧的spp强度分布，如图15所示，左侧spp强度远大于右侧spp强度，意味着主要能量被耦合到左侧，并且spp的波前得到了调制，实现了spp的点聚焦。同样的，右旋光(rcp)入射到激发区域，近场扫描左右两侧的spp强度分布，可以发现，右侧spp强度远大于左侧spp强度，意味着主要能量被耦合到右侧，并且spp的波前得到了调制，实现了spp的波束偏折。另外，对于非中心工作频率13ghz我们也做了实验探测，类似于12ghz，实现了spp的高效激发，并且激发方向和耦合出的spp波前是手性可调的。

需要强调的是，上述发明设计的圆偏光入射下高效且波前可调的spp耦合调控装置不仅仅局限在微波段实现其功能，也不仅仅局限于点聚焦和波束偏折波前调控，如果客户需要其他的工作频率，本发明可以等比例缩放(电磁波标度定律)或重新设计特异介质单元的结构参数，就能在其他频率范围实现相同的功能，也可以是其他任何互相独立的波前。

表1：所设计结构初始原胞尺寸和初始旋转角度

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