Broadband highly efficient dielectric metadevices for polarization control

原创作者：胡铁 纳米光子实验室 目前研究方向：介质偏振计

——||背景介绍||——

基于米氏散射谐振的传统介质超表面在功能平面光子学应用中实现了最好的效率。然而，它们都有窄带宽的缺点。宽谱高效偏振和相位控制的超表面有重要的应用价值。2016年，澳大利亚国立大学的SergeyKruk等人把广义惠更斯原理引入到超表面设计中，实现了宽谱高效的偏振和相位控制。

——||创新点||——

在本文中，通过重叠构成纳米尺度散射子的几个多级偶极子（电偶极子和磁偶极子）的散射贡献，该论文作者提出并证明了一种宽带高效全介质超表面设计的新方法，实现了宽谱高效偏振和相位控制。

——||理论基础||——

1) 基于散射场的球谐展开，提出了广义惠更斯原理。任意散射场的矢量球多谐展开：

（1）

前向散射场：

 （2）

后向散射场：

（3）

从而，

为了在任意相位 都能实现高效透射，

。

2) 分别由几个多偶极子的线性组合构成，可以通过设计参数的组合独立控制每个多偶极子，实现多偶极子相长干涉。

3) 由每个独立散射子的内部电场分布，可以推导散射子阵列的远场分布。

——||图文一览||——

图一：宽谱高效超表面的概念图

（a） 宽谱区域内接近于100%能量转换效率

（b） 覆盖[0-2 ]的相位变化

（c） 在[0- ]范围内两个垂直偏振态的相位差

（d） 工作于宽谱区域空间各异偏振态控制的超表面示意图

小结：为了高效的相位和偏振态控制，透射式超表面必须同时具有高透过率、覆盖[0-2 ]的相位变化和两个垂直偏振态有[0- ]范围的相位差这三个条件。前两个条件是为了满足相位调控的要求，而附加的第三个条件是为了偏振态调控的要求。

图二：宽带高效偏振态调控超表面的仿真证明

（a） 宽带超表面的结构图。组成单元的维度：a =285 nm, b =450 nm, c =860 nm, D =750 nm。材料：多晶硅。光场沿着椭圆硅柱短轴入射。

（b） 透过超表面的总透过率谱和各级偶极子分量透过率谱。ED：电偶极子，MD：磁偶极子，HOM：高级次的偶极子场量之和。虚线表示有玻璃基底时的结果，实线表示无基底时的结果。

（c） 透过超表面的总反射率谱和各级偶极子分量反射率谱。

小结：引入高级次偶极子的贡献，形成多个级次偶极子的相长干涉，从而能实现接近于100%透过率。宽谱的实现取决于偶极子和更高级次偶极子的干涉。只有当高级次偶极子场量相对入射光场不可忽略时，才能确保所有级次偶极子的共同作用后能抑制反射场，产生区别于反射场的相位。

图三：相位和偏振态控制的仿真证明

（a） 1/2波片超器件的透过率图。光场分别沿着椭圆硅柱的长轴和短轴方向入射。单元结构尺寸：a = 280 nm, b = 430 nm, c = 850 nm, D = 750 nm.

（b） 1/2波片超器件的相位图。

小结：由于不同级次偶极子的之间干涉，在C和L通信波段，沿着长和短轴的透过场相位差保持为 ，同时能实现高效能量利用。在宽谱范围内实现了高效相位和偏振态调控。

图四：1/2波片和1/4波片超器件的实验证明

（a） 1/2波片超器件的实验和理论透过率。蓝色线：超器件位于一对方向相互垂直的起偏器和检偏器之间时的透过率谱，起偏轴与超表面各向异性轴呈45度。红色线：超表面位于一对方向相互平行的起偏器和检偏器之间的透过率谱。黑色线：总透过率谱。实线：实验结果，虚线：理论计算结果。

（b） 1/ 2波片超器件的实验重建相位延迟结果图。标记区域表示重建相位延迟误差在二十分之一波长内的区域。

（c） 1/4波片超器件实验和理论透过率。蓝色线：超表面位于一个线偏振起偏器和左旋圆检偏器之间时的透过率谱，起偏轴与超表面各向异性轴呈45度。红色线：超表面位于一个线偏振起偏器和右旋圆检偏器之间时的透过率谱，透过轴与超表面各向异性轴呈45度。黑色线：总透过率谱。实线：实验结果图，虚线：理论计算结果图。单元尺寸：a = 310 nm, b = 370 nm，c = 850 nm，D = 750nm。

（d） 1/ 4波片实验恢复相位延迟结果图。重色区域表示相位延迟恢复误差在 内的区域

小结：半波片超器件在宽谱区域内将实现接近于100%的偏振转换效率，四分之一波片的实验效果类似。对于半波片而言，测量的延迟接近0.5；四分之一波片超器件的测量延迟接近0.25，在宽谱范围内这些值是恒定的（在容差范围内）。对于半波片，在1550nm波长处累积850nm距离的光程能达到π相位差，有效折射率差为 ，而传统双折率材料最大有效折射率差为0.3。

——||结论||——

该论文作者设计并证明了基于广义惠更斯原理的全介质超器件，用于实现高效相位和偏振调控，实验证明了包括半波片，四分之一波片相位版，能在多个通信波段工作。

有用公式：

文献链接：Kruk S, Hopkins B, Kravchenko I I, et al. Invited Article: Broadband highly efficient dielectric metadevices for polarization control[J]. Apl Photonics, 2016, 1(3): 030801.

DOI：https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/