Discriminating between Coherent and Incoherent Light with Planar Metamaterials
——— ||| 导读 ||| ———
2019年9月19日南安普顿大学的T. Frank，O. Buchnev，T. Cookson等人在NANO LETTERS上发表了一篇论文，由纳米图案化金属膜构成的一种超表面能够区分相干光与非相干光。
—— ||| 背景介绍 ||| ——
超表面在光传播的设计和控制上具有无与伦比的灵活性，它取代了传统的大型光学元件，能够显现出奇特的电磁现象，并于现有的CMOS技术采用的制造工艺完全兼容。
—— ||| 创新与结论 ||| ——
本文描述并研究了一种有趣的光学现象，用空间相干光和不相干光照射普通的金属平面超材料时，由于新的光谱成分的出现，两者的共振透射光谱在定性的分析上也是不匹配的。这种超表面的强烈的非局部响应既不涉及到波导模式的衍射耦合，也不涉及晶格共振，是一种以往在超材料中没有看到的效应，因此很适合于例如光学计量，成像，视觉和通信上的实际应用。
—— ||| 图文一览||| ——
图1 | 平面超材料的SEM图像（a）连续的锯齿形纳米线，（b）连续的锯齿形纳米缝，（c）断裂的锯齿形纳米线和（d）断裂的锯齿形纳米缝 黄色框表示超材料的基本晶胞。 比例尺为1μm。
图2 |具有（a）连续的锯齿形纳米线，（b）连续的锯齿形纳米缝，（c）断裂的锯齿形纳米缝和（d）断裂的锯齿形纳米缝的锯齿形超表面的透射光谱。 虚线曲线显示了数值建模的光谱，这些光谱为超材料的设计提供了依据。 实线显示使用白炽灯白光源（WLS）的线性偏振光通过实验测量的数据。 十字表示使用来自光学参量振荡器（OPO）的线性偏振光通过实验获得的数据。 十字的大小（水平和垂直方向）都表示实验误差。 插图显示了共振时超材料的晶胞中感应的电荷密度分布的建模（红蓝色）。
小结：在0.9-1.5um的波长范围内，两个光谱据表现出一个0.2um宽裂隙的共振，即使定性的分析，这也与数值模型预测不一致，因此增加了c、d两个对照组对使用的方法进行检查和验证。参照以往的纳米结构超材料的所有工作（理论和实验取得了很好的一致），进行了实验的设置，由于这些工作的设计是基于分段的而不是连续的，因此c、d两个对照组也设计成分段的锯齿形（每个角引入70nm宽的缝隙），这种修改方法不会影响纳米机构中共振响应的性质。由于断裂部分的物理缩短，其中心出现了约50nm的蓝移。两者比对后可以确定，理论与实验之间的这种差异，在某种程度上特属于连续结构，而差异本身可能是由于模拟照明条件与实际照明条件之间的差异导致的。
图3 | 模拟锯齿形超表面对非相干照明的响应。 （a）计算域的布局。 它包含一个6.6×6.2μm2的大超表面，由2μm宽的非结构化金膜带框起。 （b）ZZnS超表面的模拟透射光谱。 红色圆圈所示的数据对应于空间非相干的照明。 黑色三角形表示使用同一模型针对相干（平面波）照明情况计算的数据点。 （c）波长为1.12μm的ZZnS超表面对中心光束的散射。 彩色图在中心横截面上绘制了散射电场（其实部）的水平分量，该分量将计算域沿锯齿行分成两半，如面板（a）所示。 白色箭头表示入射方向，而虚线表示入射子束的范围。 （d）与（c）相同，但以1.40μm的波长计算。
小结：为了了解发现的现象的性质，重新建立了一个COMSOL计算模型。所得光谱具有分裂共振的特性。在分裂共振的中心波长处计算ZZnS超表面附近的电场分布，与其他波长相比，透射波和反射波沿着超表面的平面传播，远远超出了限制。这个结构表明该机制必须涉及等离激元波（平面超材料不支持高阶衍射模式）。非局部散射被驱动到最强烈的共振，这保证了辐射场全部同相，因此叠加形成了在超材料上的延申平面波前，从而显著提高了散射光的空间相干性，这种情况在谐振之外不会发生。在非相干照明的情况下裸露的晶胞被随机相位激发，因此他们产生的平面波前不会发生干涉，从而阻止ZZnS超表面的透射率达到最大值。
图4 |（a）ZZnW和（b）ZZnS超表面的透射光谱，这是通过相干长度dcoh的三个不同值实验获得的。 插图（b）绘制了Tinc / Tcoh作为dcoh函数的函数，该函数是使用主平面中的传输数据（色环）为ZZnS超表面计算的，并根据dcoh = 2.4μm时Tinc / Tcoh的值由等式1预测 （黑色虚线）。
图5 |艺术家对ZZnS超表面的光传输的印象。 （a）通过超材料的连续构架介导的强烈的非局部散射，可以排除空间上不相干的光。 （b）相干光抵消了非局部散射的作用，并被完全透射。
小结：为了通过实验确认这种效应，通过近红外显微分光光度计测量了锯齿形超表面的透射光谱，通过将聚光器膜片的直径减小来改变有效数值孔径（增加照明的空间相干性），随着相干长度的增加，超表面共振分裂变得不那么明显，但中心波长不变。
—— ||| 点评||| ——
本文介绍了一种由连续周期超材料图案（只要它的单元结构局部支持对称λ/ 2偶极子模式的共振激发）产生的效应，利用该效应可以区分相干光和非相干光。该文章详细的论述了发现该效应的过程，整个过程是很值得借鉴的。此外，该效应适用于光学计量应用，也可以与光检测器结合，从而快速定量评估光的空间相干性，其他的应用则可能围绕该超表面选择性透射或阻挡空间不相干光这一特点。
Discriminating between Coherent and Incoherent Light with Planar Metamaterials
· T. FrankO. BuchnevT. CooksonM. KaczmarekP. LagoudakisV. A. Fedotov*
· Nano Lett.2019XXXXXXXXXX-XXX
· Publication Date:September 19, 2019
· https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b02094
作者简介: 肖顺元，华中科技大学，研二，目前研究方向：超表面透镜
