Broadband High-Efficiency Chiral Splitters and Holograms from Dielectric Nanoarc Metasurfaces

 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||——

同时具有高效率和宽带特性的超表面一直是学界研究的热点。对于透射式的超表面，等离子体超表面能够实现宽带特性，但由于本征吸收，导致无法避免的低效率缺点；当前的介质超表面具有高效率优点，但由于组成单元的色散特性，导致窄带宽的缺陷。2019年4月，深圳大学微尺度光信息科技重点实验室的Dapeng Wang等人提出了一种新颖介质结构-介质纳米弧，使超表面兼具高效和宽带性能，为自旋操控器件的研究开辟了崭新的方法与路径。

——||创新点||——

该论文作者提出利用纳米弧结构来产生连续几何相位梯度。通过设计纳米弧的几何结构能够实现[0-2π]范围的相位变化，并且能同时实现宽谱响应。结合绕行相位原理，能够高效地将复杂全息图展示为依赖于螺旋性的衍射级。

——||图文一览||——

图一：宽带手性光束分离系统图和纳米弧结构示意图

（a） 宽带手性光束分离系统图。当宽带光源垂直入射到连续纳米弧阵列上时，右旋和左旋极化的成分（对应于蓝色和红色螺旋箭头）经历轴对称偏斜，这与自旋霍尔效应非常相似。

（b） 连续介质纳米弧结构图。R = 450 nm, W = 90 nm, and H = 190 nm，Px = 1000 nm，Py = 500 nm。材料：非定形硅。u和v代表局域坐标的切向和法向方向。

（c） 与曲线路径ζ有关的几何相位。

（d） 当纳米弧在无穷小位置退化为纳米线时，由不同偏振光激发的仿真散射截面。 插图是用于u偏振照明的磁场分布和在800nm波长下的v偏振照明的电场分布。

小结：对于连续纳米弧结构，PB相位与几何路径的关系：Φ=2δθ(ζ) , θ(ζ)=tan^(-1) (dy⁄dx), 纳米弧的几何各向异性产生手性光束的分离。在纳米弧结构满足完美半波片时，由公式：矢量傅里叶系数D_(±1)∝(t_TE-t_TM )(E_x±iE_y){(1@±i)}，纳米弧阵列功能类似于闪耀光栅，能够将入射手性偏振光束100%为分离±1级圆偏振光。

图二：纳米弧结构的光学特性

（a） 不同结构的纳米弧几何相位变化范围。

（b） 不同系数的悬链结构几何图。内插图为相应结构的相移覆盖范围。

（c） 不同纳米弧结构的手性消光比。γ=10Log P_lcp/P_RCP

（d） 不同纳米弧结构的透过率。

小结：链状结构的相移变化呈现出线性梯度关系，这对于很多偏振相关超器件意义重大。这些纳米弧结构都具有手性分束的能力。虽然悬链结构在一些特定波长有高手性消光比，半圆纳米弧结构具有更宽的带宽和透过率。权衡考虑效率和宽带，半圆纳米弧作为纳米弧结构

图三：连续与离散结构自旋偏转效率比较

（a） 结构参数的示意图。半圆纳米弧具有与图1(b)相同的结构，离散的Si纳米棒的长度为330nm，宽度为90nm，高度为190nm。

（b） 相应结构在不同波长入射时，仿真得到的自旋偏振效率。

小结：虽然离散和连续结构都满足完美半波片功能，但是连续纳米弧结构能进一步增加工作带宽和效率。

图四：透过率与转换效率的系统仿真研究

（a） 不同高度时，仿真计算得到的透过率系数：T_σ_-+T_σ_+。材料：氢化非晶硅(a-Si:H)。RCP光由玻璃基底向纳米弧方向入射。R = 450 nm, W = 90 nm,Px = 1000 nm，Py = 500 nm。

（b） 不同高度时，仿真计算得到的转换效率：(T_σ_-)⁄(T_σ_-+T_σ_+ )。

（c） 不同宽度时，仿真计算得到的透过率系数：T_σ_-+T_σ_+。R = 450 nm, H = 190 nm，Px = 1000 nm，Py = 500 nm。

（d） 不同宽度时，仿真计算得到的转换效率：(T_σ_-)⁄(T_σ_-+T_σ_+ )

小结：纳米弧结构宽度在转换效率中起关键作用。具有选定宽度的纳米弧结构支持由纵向偏振光激发的磁偶极共振，这意味着位移电流环在纳米弧的横向平面内得到增强，随着宽度增加，共振模式逐渐消失。因此，入射光和散射光波之间的相位差变得不那么明显，并且自旋转换效率相应地降低。综合考虑传输和转换效率之间的权衡，纳米弧结构选择宽度和高度分别为90和190 nm。

图五：纳米弧阵列的手性分束

（a） 手性分束a-Si:H纳米弧阵列的俯视扫描电子显微镜（SEM）。 比例尺：1μm。纳米弧引入了沿界面的相位梯度（dΦ/ dx）

（b） 透过场的单元内的Ex分量的相位，其中（0-2π）相位覆盖由连续的纳米弧阵列完成，θ表示透过场的偏转角。

（c） 在800nm波长下动量空间中螺旋性相关偏转的仿真结果。 σ=±1表示RCP和LCP光。内插图揭示了远场强度分布。

（d） 宽谱的绝对效率和转换效率的仿真和实验结果。

（e） 实验测量在800nm波长的动量空间中的螺旋性相关偏转结果图。

小结：基于几何相位的手征分束现象与偏振转换效率密切相关，这意味着只有具有交叉偏振态的透射光将维持螺旋性依赖的分束。因为共偏振光不能满足庞加莱球上的偏振的闭合路径演变，所以共偏振的偏振分量不会累积任何异常衍射的额外相位。这些观察证实了手性依赖性分束可以通过纳米弧光栅实现。

图六：手性绕行宽带相全息图

（f） 手性绕行相原理的波前调制示意图。该阵列由玻璃基板上的众多a-Si：H纳米弧组成。在不同位置(δ1，δ2，δ3…)的每个纳米弧引入一个相位差Δφ。

（g） “中国结”的目标图像

（h） 旨在生成远场中的目标全息图像的相位分布

（i） 纳米弧全息图的SEM图像。 比例尺为3μm。

（j） 纳米弧阵列超表面分别在600,700,800和900 nm波长处产生的远场实验图像

小结：利用绕行相原理，连续的纳米弧能够根据入射光的手性将其入射光偏转到不同的特定方向，具有高效率和高选择性的优越性能。

图七：螺旋相关全息图

（k） 两个符号加密全息图的SEM图。 优化设计的纳米弧分为两部分：蓝色，相位信息被赋予那些结构，以生成σ+的自旋状态图像；相位信息被赋予红色的那些结构，以生成说明σ-自旋状态的图像。右边的图像是从目标图案中重新构建的。

（l） 由波长为800nm的螺旋相关的纳米弧阵列产生的图像。当RCP光照射在纳米弧上时，“σ-”的模式出现，当LCP光照射到纳米弧上时，“σ+”的模式出现。 线偏振光同时产生两种图案。

——||结论||——

总之，该论文展示了一种连续介质纳米弧结构超表面，它同时具有高效率和宽带特性。一个简单的具有半波功能片的半圆形纳米弧结构可以取代传统的纳米天线阵列结构。实验证明，在超薄，小巧轻便的纳米弧可以实现一些新颖的功能，例如手征分束，宽带全息图和螺旋选择性全息图。该研究结果将促进新型自旋控制纳米器件的研究，并促进纳米光子的进一步发展

文献链接：Wang D, Hwang Y, Dai Y, et al. Broadband High‐Efficiency Chiral Splitters and Holograms from Dielectric Nanoarc Metasurfaces[J]. Small, 2019: 1900483..

DOI： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201900483