Plasmonic Metasurfaces for Switchable Photonic Spin–Orbit Interactions Based on Phase Change Materials

Ming Zhang, Mingbo Pu, Fei Zhang, Yinghui Guo, Qiong He, Xiaoliang Ma, Yijia Huang,

Xiong Li, Honglin Yu, and Xiangang Luo*

——||背景介绍||——

自旋轨道相互作用（SOIs）描述的是光在传播过程中光子的自旋和轨道角动量之间的耦合作用，这种作用在很多领域都有很大的研究价值，如光子的自旋霍尔效应（SHEL），平面透镜，光学全息，涡旋光束的产生等等。而得益于空间上的不均匀性以及模块的各向异性，超表面在光子自旋轨道相互作用中有很大的发展前景。但是如今基于SOI原理制成的设备存在一个缺陷，即一旦加工好性能即固定了，没有可调的功能。所以为了在实践中更好地发挥作用，需要设计一种可调节的SOIs设备。

——||创新点||——

本文基于超表面原理，结合了相变材料，提出了一种工作在中红外波段（8.5μm-10.5μm）的可调节的SOIs方法，并通过仿真和实验验证了这种方法的正确性。同时基于这种原理设计了三种器件：一种SHEL、一个涡旋光产生器、一个全息成像设备，利用实验的方法验证了原理的正确性。

——||基本原理||——

超表面基于PB相位原理，通过对单元结构起始角之间的排布，可以调控圆偏光的波前信息。在超表面中引入相变材料，通过改变相变材料的晶态与非晶态，使单元结构之间能发生横向耦合，从而起到超表面开关的功能。通过使用MIM结构和悬链线光场实现SOI启用的现象。

——||图文一览||——

图一：可切换的光子自旋轨道相互作用（SOIs）示意图

(a) 结构和材料；  

(b) 当GST层处于非晶态时设计的三种设备的光学性能；

(c) 当GST层处于晶态时设计的三种设备的光学性能；

小结：结构使用的是metal-insulator-metal（MIM），其中的绝缘层由Ge₂Sb₂Te₅

(GST)和MgF₂组成，金属由金材料组成。其中GST的高度为600nm，作用是在GST转换为晶态的时候能失去偏振转换的能力。MgF₂的高度为150nm，作用是为了尽可能隔开GST和空气之间的接触，同时起到折射率匹配的作用（MgF₂折射率介于高折射率GST和低折射率空气之间），用来提高偏振转换效率。上层的天线高度为100nm，这么设计是为了减小工艺上加工难度。

图二：单元结构示意图以及性能参数

(a) 单元结构示意图；

(b) 贴片天线的SEM图，长宽分别为3μm和1μm，周期间隔为4.2μm；

(c) GST处于非晶态时两种偏振态的反射率的仿真图和实验图；

(d) GST处于晶态时两种偏振态的反射率的仿真图和实验图；

(e) 两种状态下的偏振转换率和波长之间的关系。

小结：仿真使用的方法是CST的有限元仿真。在GST处于非晶态情况下，在波长为9-12μm时，正交偏振态的反射率超过70%，而同极化偏振态的反射率接近为0，偏振转换率接近90%，在实验下这两种反射率分别接近为60%和10%，偏振转换率接近80%。在GST处于晶态情况下，波长为7-11μm时，正交偏振态的反射率低到了5%，偏振转换率在仿真和实验下分别为2%和10%。这张图在一定的情况下说明了将超表面和相变材料结合在一起可以起到特定的波前调控作用。实验和仿真上的反射率不匹配以及波长蓝移效果由下面两个方面解释：①不完美加工；②仿真上使用材料的负折射率和实验中的材料不是完全匹配。

图三：单元结构的各种性能测试

(a) 单元结构不同方向角时的俯视图；

(b) GST处于两种状态时正交偏振态的反射率和相移与单元结构的方位角之间的关系；

(c) GST处于两种状态时两种偏振态的相位差；

(d) 单元结构的3D视角以及电场分布；

小结：b图中的蓝色线条代表GST处于非晶态时正交偏振态的相移，计算出来的相移与PB相位十分吻合。c图中使用45的线偏光照射，发现在GST处于非晶态时，在波长为8.8-11.5μm时，两种偏振态之间的相位差几乎稳定在π上，这也是圆偏光相互转化需要满足的相位条件，而GST处于晶态时就没有这种相位差了。d图显示的是波长为9.6μm时的电场分布。

图四：三种设备的测量光强分布以及SEM图

(a) 光的自旋霍尔效应；

(b) 涡旋光的产生；

(c) 全息成像；

(d-f) 三种设备的SEM图；

小结：a图使用线偏振光入射，如果打开GST的非晶态，会产生两种圆偏光，分别向着±1级的方向出射，如果关闭，则只会在0级出射。b图结构叠加了exp(ilφ)，形成了一定的涡旋相位板。c图则是全息成像。

图五：不同波长下两种状态下设备1的反射光斑图

小结：在波长为9.45-10.6μm下，结构都能产生作用。

图六：实验测量装置图

——||结论||——

作者成功地将相变材料与等离子体超表面相结合，以实现在中红外光谱范围内工作的可切换自旋轨道相互作用。通过使用MIM结构和悬链线光场实现SOI启用的现象。基于巧妙的设计，结构可以实现“ON”和“OFF”状态的切换。 光谱表征结果显示伴随宽带工作带宽的两种状态之间的高偏振转换对比度，这与模拟结果很好地吻合。作者设计并制造了三个元设备来验证可切换SOI的方法。 简单的制造工艺为光束控制，加密光通信和动态全息显示的实际应用提供了巨大的潜力。

文献链接：ADVANCED SCIENCE 5，10, 2018

DOI: 10.1002/advs.201800835

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/advs.201800835

报告人：汪肇坤