Versatile Polarization Generation with an Aluminum Plasmonic Metasurface

——||背景介绍||——

偏振作为电磁波很重要的一种性质，从液晶显示器到光信号处理在各方面都有很重要的作用。产生线偏振光最简单的方法就是使用线偏振器作为滤光片来允许特定的光通过，但这种方法会导致正交偏振光的光强损失，不利于探测弱光信号。而产生圆偏光则更为麻烦，需要两束正交光通过一定的相位积累来叠加形成，因此传统方法体型庞大，不便于小型集成化。因此，一种多功能、紧凑的能产生多种偏振态的偏振产生器是现在急需的。

——||创新点||——

首次提出了一种单层的反射式超表面偏振产生器，能够用一束线偏光产生6种基本偏振光（x, y, a, b, l, r）,这6种偏振光沿着6个不同的反射角出射，便于后续的收集和探测；使用铝材料代替传统的金和银材料，将工作谱段扩展至整个可见光谱。

——||基本原理||——

① 利用P-B相位，将线偏光分解为以{QUOTE±θ}角度反射的左旋圆偏光和右旋圆偏光；

② 将周期结构进行错位，使产生的左旋圆偏光和右旋圆偏光之间产生一定的相移，然后可以合成任意的线偏光或者圆偏光；

③ 改变一个周期中金属天线的个数，可以改变出射光的反射角，从而利用3组周期结构使6种反射偏振光分开。

——||图文一览||——

图一：基于铝材料的等离子超表面的偏振转换

(a) 入射光固定，产生任意偏振光的原理图；

(b) 单个结构的仿真和实验结果图：400-1000nm的波段范围；

(c) 在500nm谱段下，单个铝柱的相位和转换效率。

小结：铝材料在400-700nm的波段下，转换效率会保持在50%以上，一旦超过700nm，带间转换会引入大量损失，导致转换效率降低。整体结构使用的同一个铝柱，通过改变起始角来调节引入的相位梯度，这样可以保证转换效率一致。

图二：转换效率和反射角与入射波长以及周期结构中铝柱个数之间的关系仿真

(a) 铝柱个数为8时，不同波长下的转换效率和反射角；

(b) 波长为500nm时，不同铝柱个数下的转换效率和反射角；

(c) 铝柱个数为8时，峰值转换效率；

(d) 波长为500nm时，峰值转换效率；

小结：根据广义的斯涅尔定律，在光正入射情况下，异常反射角与波长和结构的晶格常数有关。从图中可以看出，波长为500nm时，转换效率会达到最大，而周期结构中的铝柱个数越大，效率会越大，但是超过8个时基本达到平衡，所以文中射击结构选的就是8个铝柱一个周期。

图三：利用圆偏光叠加方法的偏振产生器

(a) 基于P-B相位的圆偏振产生示意图；

(b) 基于圆偏光叠加的线偏光产生示意图；

(c) 波长为500nm时，产生不同偏振光的转换效率以及反射角；

小结：圆偏光的产生是作为整个结构的第一步，然后通过将结构反向、错位，使左旋圆偏光和右旋圆偏光之间产生一定的相移, 然后通过琼斯矩阵叠加两种圆偏光得到任意线偏光。

图四：产生偏振光的实验验证

(a) 实验测量光路；

(b) 600nm线偏光入射情况下，旋转四分之一波片得到的理论（左边）和实验（右边）光强示意图；

(c) 不同波长下，实验结果的庞加莱球；

小结：设计了三种周期结构组合，并将其做到了一起，可以在不同的角度探测的到6种基本的偏振光，并与理论结果对比吻合得很好。同时只要改变d，就可以得到任意的偏振光，包括椭圆偏振光。

图五：偏振消光比结果图

在不同波长下，6种偏振光的消光比。

小结：通过检查想要的偏振态与其正交偏振态光强之比，获得了结构的消光比。实验结果表明在宽谱段下，产生的偏振态都具有很高的消光比。

——||结论||——

作者提出了一种MPG器件，使用基于铝材料的单层超表面结构能够将入射线偏光转换成6种最基本的偏振光，并以不同的反射角出射，便于探测和分析。通过实验验证了结构在整个可见光谱段下的性能，实验中的极化消光比是已知报道中最高的。对各种平台的低成本和易适应性使得Al等离子体MPG特别有希望广泛应用。与市场上现有的商用偏振发生器/调制器相比，他们的MPG器件结构轻薄，易于制造，并且与平面光学器件兼容，也可以集成到光子电路上。

文献链接：Nano Lett., 2017, 17 (1), pp 445–452

DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04446

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b04446

报告人：汪肇坤