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基于超表面的可控表面等离激元复杂场设计: 偏振调控等离激元全息成像

       表面等离激元(surfaceplasmons)是在金属与介质界面处传播的一种自由电子和光子相互作用形成的电磁波。表面电荷震荡与电磁波之间的相互作用使得表面等离激元具有很多独特的性质。超表面(metasurface)是由特殊排布的亚波长单元结构组成的人工表面。由于其特殊的电磁特性,超表面有望替代传统光学器件,成为调控自由空间光以及表面等离激元的一种最有效的手段。特别是在自由空间光全息成像研究中,采用超表面灵活操控出射电磁波的相位、幅值以及偏振,实现了一系列突破性进展。但在表面等离激元领域,由于缺乏合适的相位和幅值调制器件,相关场分布设计一直局限于简单图像或特殊光束。另外,不同于自由空间光,表面等离激元的激发、传输以及成像均在同一个二维界面内,因而传输过程中产生的干涉会极大地影响成像质量。


基于超表面的可控表面等离激元复杂场设计: 偏振调控等离激元全息成像

近期,天津大学精密仪器与光电子工程学院太赫兹研究中心韩家广教授、张伟力教授团队利用亚波长狭缝谐振器作为基本单元结构构成全息环,并通过巧妙设计不同狭缝谐振器的旋角,实现了由入射偏振控制的表面等离激元复杂场分布的全息成像。在前期研究基础上,结合几何相位(Pancharatnam-BerryPhase)的自转依赖特征,提出以亚波长狭缝谐振器作为单元结构,通过改变其旋角,实现任意幅值及相位的表面等离激元激发。在全息设计中,为了提高成像质量,他们通过赋予目标像合适的相位梯度来保证表面波的局部传播方向,以降低不利干涉对成像线条清晰度的影响。另外,他们还通过设计多个全息圆环的间距来调整其成像之间的干涉,在不同旋向的圆偏振极化以及不同角度线偏振极化的入射下来实现偏振选择的全息成像功能。

利用太赫兹近场扫描显微光谱系统,该团队实时表征了样品表面的电场分布,对太赫兹表面等离激元全息进行了系统的实验验证。由于其设计原理的普适性,该工作有望推广到红外及可见光波段。相关论文发表在Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.201600212)上,并被选为当期封底论文。



作者为:Quan Xu, Xueqian Zhang*, Yuehong Xu, Chunmei Ouyang, ZhenTian, Jianqiang Gu, Jensen Li, Shuang Zhang, Jiaguang Han*, Weili Zhang*。原文链接如下,也可点击下方“阅读原文http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.201600212/full。


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