Nano Lett.：借以鋁等離子超材料表面構建多功能型偏振發生器

【引言】

基于光與物質相互作用引發的所有光照調控形式，其基本的機理是調控原子局部的電磁場。其中影響相互作用強度最重要的因素之一是電磁場的極化。光偏振的產生與調控，傳統手段是依靠大型光器件如波板、偏光器和偏振分光鏡來實現，但這些器件存在光學厚的特點。而這些器件的微型化對新一代能整合入單一光電晶片的集成寬頻光學元件的發展是非常必要的。

【成果簡介】

臺灣省中央研究院蔡定平教授（通訊作者）首次報道了一種反光式超材料表面偏振發生器（MPG），可從具單一光學薄晶片的線性偏振光源產生任意偏振程度的光束。六種偏振光束同時獲得，包括具不同方向的四種線性偏振（LP）及兩種圓偏振（CP），它們均合宜的分成不同反射角。依據Pancharatnam Berry相位調控法，利用鋁作為等離子體金屬制備MPG樣品，而不是傳統的金或銀，因為鋁這種寬頻金屬，幾乎可覆蓋整個可見光譜。MPG的多功能及緊湊性使其可將任意入射波轉換成光譜范圍內任意偏振程度的光束，而這對于實現一整套用于集成光電子器件的光學元件是很有意義的。

【圖文導讀】

圖一、鋁等離子超材料表面的偏振轉換

(a) 對固定入射光引發任意偏振的發生器圖示。

(b) 由沉積在SiO₂/Al/Si基底的Al納米線陣列（光譜范圍400-1000 nm）引起LCP到RCP的轉換，對其轉換效率進行模擬與測量。利用納米線陣列進行模擬，納米線陣列單胞尺寸長L=170 nm，寬S=50 nm，厚H₁=50 nm，周期P=230 nm，沉積在SiO₂的厚度H₂=50 nm，Al鏡厚H₃=150 nm。內嵌圖為所測量樣品的SEM圖。

(c) 波長λ= 500 nm，任意角度下，相同尺度的Al納米線的轉換效率及相位調控。一系列數據點代表了特定角度θ下的Al納米線。

圖二、轉換效率以及與入射波長和相位梯度水平相關的反射角模擬

(a) 有固定超晶胞長度（L_x=230 nm×8=1840 nm）的MPG在相位等級為8時，對一系列不同波長入射光的轉換效率及反射角。

(b) 單一入射波長（λ= 500 nm）照明下，具不同相位梯度等級長度MPG的轉換效率及反射角。

(c)和(d)分別是根據(a)和(b)圖中轉換峰值獲得的轉換效率-入射波長、轉換效率-相位等級圖。所有入射波均沿水平x軸發生偏振。

圖三、具CPs疊加的偏振發生器

(a) 在x軸偏振（LP-H）光照明下，通過P-B相基超材料表面的本征性質引發圓偏振的機理圖示。

(b) 在x軸偏振（LP-H）光照明下，通過CPs的疊加引發線性偏振的機理圖示。

(c) 入射波長500 nm下，每個偏振的模擬轉換效率。內嵌圖表示相對應的超晶胞設計圖，對于RCP和LCP，LP-H和LP-V，LP+45°和LP?45，超晶胞的長度分別為2.76 μm，2.3 μm，1.84 μm。

圖四、偏振發生器的實驗驗證

(a) MPG性質的測量裝置。

(b) 隨四分之一波片轉角變化的散射強度圖，左側為理論圖譜，右側為實驗圖譜。LP-H入射波長為600 nm。中間圖框為相對應的SEM圖，標尺為1μm。六條線圖分別代表六種偏振。

(c) 不同入射波長下的Poincare球，將實驗值（紅、綠、藍點）與理論值（黑點）進行對比。

圖五、偏振消光比

可見光范圍下產生的六種偏振狀態的偏振消光比測量。

【小結】

本文所制備的MPG經證實，能產生反射機制下具有高偏振消光比的多重偏振波。利用相同尺度的Al納米線作為基本的構建模塊，通過調節光軸方向實現相位調節。所制備的MPG包括六個區域，每個區域為不同的超晶胞陣列，超晶胞陣列由Al納米線組成，協同方位角的增量步在不同區域的超材料表面實現2π相調控，且沒有明顯的相對振幅調控。同等條件下，MPG偏振的純度較已報道的其他超材料或超材料表面都要高。廉價與多種方式易調的特性也使Al等離子MPGs在大規模應用方面具有更好的前景。

文獻鏈接：Versatile Polarization Generation with an Aluminum Plasmonic Metasurface（Nano Lett.，2016，DOI：10.1021/acs.nanolett.6b04446）

本文由材料人編輯部電子電工學術組大黑天供稿，材料牛編輯整理。

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