Nano Lett.：借以铝等离子超材料表面构建多功能型偏振发生器

【引言】

基于光与物质相互作用引发的所有光照调控形式，其基本的机理是调控原子局部的电磁场。其中影响相互作用强度最重要的因素之一是电磁场的极化。光偏振的产生与调控，传统手段是依靠大型光器件如波板、偏光器和偏振分光镜来实现，但这些器件存在光学厚的特点。而这些器件的微型化对新一代能整合入单一光电晶片的集成宽频光学元件的发展是非常必要的。

【成果简介】

台湾省中央研究院蔡定平教授（通讯作者）首次报道了一种反光式超材料表面偏振发生器（MPG），可从具单一光学薄晶片的线性偏振光源产生任意偏振程度的光束。六种偏振光束同时获得，包括具不同方向的四种线性偏振（LP）及两种圆偏振（CP），它们均合宜的分成不同反射角。依据Pancharatnam Berry相位调控法，利用铝作为等离子体金属制备MPG样品，而不是传统的金或银，因为铝这种宽频金属，几乎可覆盖整个可见光谱。MPG的多功能及紧凑性使其可将任意入射波转换成光谱范围内任意偏振程度的光束，而这对于实现一整套用于集成光电子器件的光学元件是很有意义的。

【图文导读】

图一、铝等离子超材料表面的偏振转换

(a) 对固定入射光引发任意偏振的发生器图示。

(b) 由沉积在SiO₂/Al/Si基底的Al纳米线阵列（光谱范围400-1000 nm）引起LCP到RCP的转换，对其转换效率进行模拟与测量。利用纳米线阵列进行模拟，纳米线阵列单胞尺寸长L=170 nm，宽S=50 nm，厚H₁=50 nm，周期P=230 nm，沉积在SiO₂的厚度H₂=50 nm，Al镜厚H₃=150 nm。内嵌图为所测量样品的SEM图。

(c) 波长λ= 500 nm，任意角度下，相同尺度的Al纳米线的转换效率及相位调控。一系列数据点代表了特定角度θ下的Al纳米线。

图二、转换效率以及与入射波长和相位梯度水平相关的反射角模拟

(a) 有固定超晶胞长度（L_x=230 nm×8=1840 nm）的MPG在相位等级为8时，对一系列不同波长入射光的转换效率及反射角。

(b) 单一入射波长（λ= 500 nm）照明下，具不同相位梯度等级长度MPG的转换效率及反射角。

(c)和(d)分别是根据(a)和(b)图中转换峰值获得的转换效率-入射波长、转换效率-相位等级图。所有入射波均沿水平x轴发生偏振。

图三、具CPs叠加的偏振发生器

(a) 在x轴偏振（LP-H）光照明下，通过P-B相基超材料表面的本征性质引发圆偏振的机理图示。

(b) 在x轴偏振（LP-H）光照明下，通过CPs的叠加引发线性偏振的机理图示。

(c) 入射波长500 nm下，每个偏振的模拟转换效率。内嵌图表示相对应的超晶胞设计图，对于RCP和LCP，LP-H和LP-V，LP+45°和LP−45，超晶胞的长度分别为2.76 μm，2.3 μm，1.84 μm。

图四、偏振发生器的实验验证

(a) MPG性质的测量装置。

(b) 随四分之一波片转角变化的散射强度图，左侧为理论图谱，右侧为实验图谱。LP-H入射波长为600 nm。中间图框为相对应的SEM图，标尺为1μm。六条线图分别代表六种偏振。

(c) 不同入射波长下的Poincare球，将实验值（红、绿、蓝点）与理论值（黑点）进行对比。

图五、偏振消光比

可见光范围下产生的六种偏振状态的偏振消光比测量。

【小结】

本文所制备的MPG经证实，能产生反射机制下具有高偏振消光比的多重偏振波。利用相同尺度的Al纳米线作为基本的构建模块，通过调节光轴方向实现相位调节。所制备的MPG包括六个区域，每个区域为不同的超晶胞阵列，超晶胞阵列由Al纳米线组成，协同方位角的增量步在不同区域的超材料表面实现2π相调控，且没有明显的相对振幅调控。同等条件下，MPG偏振的纯度较已报道的其他超材料或超材料表面都要高。廉价与多种方式易调的特性也使Al等离子MPGs在大规模应用方面具有更好的前景。

文献链接：Versatile Polarization Generation with an Aluminum Plasmonic Metasurface（Nano Lett.，2016，DOI：10.1021/acs.nanolett.6b04446）

本文由材料人编辑部电子电工学术组大黑天供稿，材料牛编辑整理。

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