超表面在红外波段的光传输特性：偏振控制、旋光性和不对称传输/潘成康等 ·735· 超表面在红外波段的光传输特性：偏振控制、旋光性和不对称传输 潘威康，汤登飞，董建峰 (宁波大学信息科学与工程学院，宁波315211) 要 超表面《Mes,Ms)是拥有亚波长尺寸单无结珀的人工平面材科，其电继性主要由结构法定表 具有挺的泼前控制能力。本文着重分绍了近年来来结构表面在红外流段的先传特性，包括无偏振控制、藏无性、不对 称传输等方面的理论和实验研完选展，简委介螺了制各纳来：构超表面的工艺技术」 关键词 短表面偏振控制旋光性不对称传输 中图分类号：TB334O441 文献标识码：A D01:1011896/h.is8n1005-023X201805008 Optical Transmission Characteristics of Metasurfaces in Infrared Region: Polarization Control,Optical Activity and Asymmetric Transmission PAN Weikang,TANG Dengfei,DONG Jianfeng (College of Information science and Engineering.Ningbo University.Ningho 315211) exhibit structure-deter rties and fu wave front.We herein mainly discuss the theor in infrared region.from the mission.and also briefly describe metasurfaces'manufacturing technique.The paper ends with a discussion on the future develop ment trends Key words metasurface,polarization control,optical activity,asymmetric transmission 能日体积拉大的光学器件（加光概，棱培，诱镜等），难以实现 0引言 小型化，日前，人们发现超表面具有极强的波前控制能力 “行进的波阵面中任意一点都可以看作是新的次波源 可以很好地控制光的偏振状态。超表面具有超小体积和多 此后每一时刻子波而的句络就是该时刻益的波动面”这 功修空等古，品灯外集成光学元寒件的锡住是洗著 著名的度更斯原理。根据惠更撕原理，表面外部的场由表面 本文主要对超表面在红外波段的光传输特性，包括光被 切向场分量决定。金属能够很好地控制表面切向场分量，通 偏报控制、旋光性、不对称传输等方面的理论和实验研究进 过合迎设计一些结均能人为控制由碳扬 展进行综述 的电磁特性， 1偏振控制 受到人们的广 对于线偏振波来说，可以用琼斯矩阵将入射波和透射波 料，超表面至少有 个优点：(1)制作相对简单。由于其具有 联系起米 亚波长尺寸的特点，谐振结构尺寸贝有亚微米量级，制作纳 (1 米平而结构比制作纳米3D结构容易很多。(2)损耗小。超 表面厚度只有波长尺寸的1/20~一1/3.光波在传播方向的行 进距离比较小，有效减小了损耗，(3》超表而占用物理空间 式中：儿-气化亿)表示透时矩库，上标表示正肉传温 小，具有很强的应用潜力，比如可以集成到钠米光学系统。 下标i表示入射波为线偏报波，！，表示y偏根入射波转换 红外光学器件在红外被段有很多重要的应用域，例如 为x信振透射波的转换系数(：、同理)。E:、E?表示 红外热成像、红外探测、生物分子检测、航空航天等。 如今 透射x电场和y电场，EE表示入射x电场和y电场。若 在小型化和系统光学集成的驱动下，迫切需要超薄多功能的 入射波为偏振波，透射系数中的x偏振分量和y偏根分量 红外来学元件 传的偏光学器件 是由双折射品 大小相第，即121=，且相位差为90°，△ larg()- 制作的，在一个光 系统中需要组合多个分立的且有特定功 )=0°.则诱射被成为圆信波 基金项目：国家自然科学基全(61475079) 1994年生，硕士研究生，研究方向为超表面光传特性 1il:793090503@q4.6om 董建峰：通信作者，男，19654年 载授，博士研究生导师，从事超材料，手征介质波等方面的研究 E-mail:. 1994-2018 China Academie Journal Electronic Publish .All rights reserved http://www.cnki.net
基金项目：国家自然科学基金（６１４７５０７９） 潘威康：男，１９９４年生，硕士研究生，研究方向为超表面光传输特性 Ｅ－ｍａｉｌ：７９３０９０５０３＠ｑｑ．ｃｏｍ 董建峰：通信作者，男，１９６４年 生，博士，教授，博士研究生导师，从事超材料、手征介质波导等方面的研究 Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｏｎｇｊｉａｎｆｅｎｇ＠ｎｂｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 超表面在红外波段的光传输特性：偏振控制、旋光性和不对称传输 潘威康，汤登飞，董建峰 （宁波大学信息科学与工程学院，宁波 ３１５２１１） 摘要 超表面（Ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ，ＭＭｓ）是拥有亚波长尺寸谐振单元结构的人工平面材料，其电磁特性主要由结构决定。超 表 面具有极强的波前控制能力。本文着重介绍了近年来纳米结构超表面在红外波段的光传输特性，包括光波偏振控制、旋光性、不对 称传输等方面的理论和实验研究进展，简要介绍了制备纳米结构超表面的工艺技术。 关键词 超表面 偏振控制 旋光性 不对称传输 中图分类号：ＴＢ３３；Ｏ４４１ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．１１８９６／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－０２３Ｘ．２０１８．０５．００８ ＯｐｔｉｃａｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＭｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓｉｎＩｎｆｒａｒｅｄＲｅｇｉｏｎ： ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ，ＯｐｔｉｃａｌＡｃｔｉｖｉｔｙａｎｄＡｓｙｍｍｅｔｒｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ＰＡＮ Ｗｅｉｋａｎｇ，ＴＡＮＧＤｅｎｇｆｅｉ，ＤＯＮＧＪｉａｎｆｅｎｇ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｉｎｇｂｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎｉｎｇｂｏ３１５２１１） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ，ａｎｅｗｅｍｅｒｇｉｎｇｃｌａｓｓｏｆａｒｔｉｆｉｃｉａｌｐｌａｎａｒｍａｔｅｒｉａｌｓｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇｏｆａｒｒａｙｓｏｆｓｕｂ－ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｒｅｓｏｎａｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｅｘｈｉｂｉｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ－ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ，ａｎｄｐｏｓｓｅｓｓｓｔｒｏｎｇａｂｉｌｉｔｙｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ．Ｗｅｈｅｒｅｉｎ ｍａｉｎｌｙｄｉｓｃｕｓｓｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈａｄｖａｎｃｅｓｉｎｏｐｔｉｃａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓｉｎｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｇｉｏｎ，ｆｒｏｍｔｈｅｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓｏｆｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ，ｏｐｔｉｃａｌａｃｔｉｖｉｔｙａｎｄａｓｙｍｍｅｔｒｉｃｔｒａｎｓ－ ｍｉｓｓｉｏｎ，ａｎｄａｌｓｏｂｒｉｅｆｌｙｄｅｓｃｒｉｂｅｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ’ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｅｎｄｓｗｉｔｈａｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐ－ ｍｅｎｔｔｒｅｎｄｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ，ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ，ｏｐｔｉｃａｌａｃｔｉｖｉｔｙ，ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ０ 引言 “行进的波阵面中任意一点都可以看作是新的次波源， 此后每一时刻子波面的包络就是该时刻总的波动面”，这 是 著名的惠更斯原理。根据惠更斯原理，表面外部的场由表面 切向场分量决定。金属能够很好地控制表面切向场分量，通 过合理设计一些结构就能人为控制电磁场。超 表 面 是 一 种 拥有亚波长尺寸谐振结构单元的人工周期性平面材料，具有 新颖实用的电磁特性。其由于极强的波前控制能力，近年来 受到人们的 广 泛 关 注。特别是在光波段，相对于三维超材 料，超表面至少有三个优点：（１）制作相对简单。由于其具有 亚波长尺寸的特点，谐振结构尺寸只有亚微米量级，制 作 纳 米平面结构比制作纳米３Ｄ 结构容易很多。（２）损耗小。超 表面厚度只有波长尺寸的１／２０～１／３，光波在传播方向的行 进距离比较小，有效减小了损耗。（３）超表面占用物理空间 小，具有很强的应用潜力，比如可以集成到纳米光学系统。 红外光学器件在红外波段有很多重要的应用领域，例如 红外热成像、红 外 探 测、生 物 分 子 检 测、航 空 航 天 等。如 今， 在小型化和系统光学集成的驱动下，迫切需要超薄多功能的 红外光学元件。传统的偏振光学器件一般是由双折射晶体 制作的，在一个光学系统中需要组合多个分立的具有特定功 能且体积较大的光学器件（如光栅、棱镜、透镜等），难以实现 小型化。目前，人们发现超表面具有极强的波前控制能力， 可以很好地控制光的偏振状态。超表面具有超小体积和多 功能等特点，是红外集成光学元器件的极佳候选者。 本文主要对超表面在红外波段的光传输特性，包括光波 偏振控制、旋光性、不对称传输等方面的理论和实验研究进 展进行综述。 １ 偏振控制 对于线偏振波来说，可以用琼斯矩阵将入射波和透射波 联系起来。 Ｅｘ ｔ Ｅｙ （ ）ｔ ＝ ｔｘｘ ｔｘｙ （ ） ｔｙｘ ｔｙｙ Ｅｘ ｉ Ｅｙ （ ）ｉ （１） 式中：Ｔｆ ｌｉｎ＝ ｔｘｘ ｔｘｙ （ ） ｔｙｘ ｔｙｙ 表示透射矩阵，上标ｆ表示正向传播， 下标ｌｉｎ表示入射波为线偏振波，ｔｘｙ表示ｙ 偏振入射波转换 为ｘ 偏振透射波的转换系数（ｔｘｘ、ｔｙｘ、ｔｙｙ同理）。Ｅｘ ｔ 、Ｅｙ ｔ 表示 透射ｘ 电场和ｙ 电场，Ｅｘ ｉ 、Ｅｙ ｉ 表示入射ｘ 电场和ｙ 电场。若 入射波为ｘ 偏振波，透射系数中的ｘ 偏振分量和ｙ 偏振分量 大小相等，即｜ｔｘｘ｜＝｜ｔｙｘ｜，且相位差为９０°，Δφ＝｜ａｒｇ（ｔｘｘ）－ ａｒｇ（ｔｙｘ）｜＝９０°，则透射波成为圆偏振波。 超表面在红外波段的光传输特性：偏振控制、旋光性和不对称传输／潘威康等 · ５３７ ·
.736 村料导投A,绽述高 2018年3月(A)第32卷第3期 光波的偏振控制一直是个重的课避，传统的偏振器是 转换，超表面如图3(a)所示，该超表面仅在S0,基底上放 双折射品体，其体积大，无法消足某些特殊需求，如钠米光学 置周期性排列的金属天线棒。数值模拟结果显示，在1100 系统。超表面展示了优越的偏振控制特性。Lⅰ等)提出了 2000nm之间，相位差但定保持π/2，实现了线极化到圆极 种基于金属等离子体法布里珀罗腔双层L形结构，如图 1(a)所示，这种结构由金属-电介质-金属组成，其中L形结 构对偏振态的控制起到了关键作用。结构周期p=600nm a■315nm,b■150nm,金属Ag厚度t■45nm,Si02厚度 s=370nm,实验和数值模拟结果如图1(b)所示，在1400nm 波长处，入射波为x偏据，大部分透射波为，其转换效率 可假器公式？件下计第，这种超表面对y偏级 波的极化转换效率为93%，实验结果与模拟结果吻合较好 04 50o 图？(a)四分之一被片超表面扫描电镜丽片：(b)x方向 偏振光和y方向偏根光的透射振幅和相位切 Fig.2 (a)Scanning electron microscope (SEM)images of a quarter-wave plate functionality metasurface (b)the transmission amplitude and phase of r-polarized and y-polarized lightt 00 160 图】（®)金属-介质-金属L形结构偏振转换超表面 ()同向和交叉极化转换透射奉四 Fig.l（a)Polariza1io rface with l-shape pertures( 欲实现类似于波片的功能，只要使透射光实现相位乳 之一片功能这个功 12 ，如/2相位变相当于四分 通过放置各向异性的纳米金属阵列实现 ·种单层结构，其基本结构单元如图2(a)所示，在SO 基底上放置一个横向的钠米金属棒和 个纵向钠米金属 横向的金属纳米棒可以控制x方向偏振光，纵向金属纳米棒 图3()线圆偏振转换超表面工作示意图：()x偏振 可以控制y方向偏振光。通过调整金属棒的几何尺寸， 和y偏振波相位同（电子版为彩图 控制其透射光的振幅与相位，在图2(b)中1450m波长处 Fig.3 (a)Artistic rendering of an ultrathin lin 透射光保特需/2相位整。 等提出 一种钻构简单的单 conversion metasurface:(b)the phase of 层超表面，实现了宽带，低损耗以及线圆极化三者同时相互 r-polarization and y-polarization light 10042018Chin Academic al Electronic Publishin All rights http://www.cnki.ne
光波的偏振控制一直是个重要的课题，传统的偏振器是 双折射晶体，其体积大，无法满足某些特殊需求，如纳米光学 系统。超表面展示了优越的偏振控制特性。Ｌｉ等［１］提 出 了 一种基于金属等离子体法布里－珀 罗 腔 双 层 Ｌ 形 结 构，如 图 １（ａ）所示。这种结构由金属－电介质－金属组成，其中 Ｌ 形结 构对偏振态的控制起到了关键作用。结构周期ｐ＝６００ｎｍ， ａ＝３１５ｎｍ，ｂ＝１５０ｎｍ，金属 Ａｇ厚度ｔ＝４５ｎｍ，ＳｉＯ２ 厚度 ｓ＝３７０ｎｍ，实验和数值模拟结果如图１（ｂ）所示，在１４００ｎｍ 波长处，入射波为ｘ 偏振，大部分透射波 为ｔｘｙ，其 转 换 效 率 可根据公式η＝ ｜ｔｘｙ｜２ ｜ｔｘｘ｜２＋｜ｔｘｙ｜２计算。这种超表面对ｙ 偏 振 波的极化转换效率为９３％，实验结果与模拟结果吻合较好。 图１ （ａ）金属－介质－金属 Ｌ形结构偏振转换超表面； （ｂ）同向和交叉极化转换透射率［１］ Ｆｉｇ．１ （ａ）ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈＬ－ｓｈａｐｅｄ ａｐｅｒｔｕｒｅｓｍｅｔａｌ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－ｍｅｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；（ｂ）ｃｏ－ａｎｄ ｃｒｏｓｓ－ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ［１］ 欲实现类似于波片的功能，只要使透射光实现相位突 变，如π／２相位突变相当于四分之一波片功能。这个功能可 以通过放置各向异性的纳米金属阵列实现［２－３］。Ｚｈａｏ等［２］ 提 出了一种单层结构，其基本结构单元如图２（ａ）所示，在 ＳｉＯ２ 基底上放置一个横向的纳米金属棒和一个纵向纳米金属棒。 横向的金属纳米棒可以控制ｘ 方向偏振光，纵向金属纳米棒 可以控制ｙ 方向偏振光。通过调整金属棒的几何尺寸，可以 控制其透射光的振幅与相位，在图２（ｂ）中１４５０ｎｍ 波长处， 透射光保持π／２相位差。Ｌｉ等［３］提出了一种结 构 简 单 的 单 层超表面，实现了宽带、低损耗以及线圆极化三者同时相互 转换，超表面如图３（ａ）所示。该超表面仅在 ＳｉＯ２ 基底上放 置周期性排列的金属天线棒。数值模拟结果显示，在１１００～ ２０００ｎｍ 之间，相位差恒定保持π／２，实现了线极化到圆极 图２ （ａ）四分之一波片超表面扫描电镜照片；（ｂ）ｘ 方向 偏振光和ｙ 方向偏振光的透射振幅和相位［２］ Ｆｉｇ．２ （ａ）Ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）ｉｍａｇｅｓｏｆａ ｑｕａｒｔｅｒ－ｗａｖｅｐｌａｔｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ； （ｂ）ｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｍｐｌｉｔｕｄｅａｎｄｐｈａｓｅｏｆ ｘ－ｐｏｌａｒｉｚｅｄａｎｄｙ－ｐｏｌａｒｉｚｅｄｌｉｇｈｔ［２］ 图３ （ａ）线圆偏振转换超表面工作示意图；（ｂ）ｘ 偏振波 和ｙ 偏振波相位［３］（电子版为彩图） Ｆｉｇ．３ （ａ）Ａｒｔｉｓｔｉｃｒｅｎｄｅｒｉｎｇｏｆａｎｕｌｔｒａｔｈｉｎｌｉｎｅａｒ－ｃｉｒｃｕｌａｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ；（ｂ）ｔｈｅｐｈａｓｅｏｆ ｘ－ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｙ－ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｌｉｇｈｔ［３］ · ６３７ · 材料导报 Ａ：综述篇 ２０１８年３月（Ａ）第３２卷第３期
超表面在红外波段的光传输特性：偏振控制、旋光性和不对称传输/潘或康等 .737 化的偏振转换。这两种超表面实际上的功能相当于四分之 石英等)的旋光性比较弱，而人工手征超表面具有亚波长尺 一波片，而且实际尺寸远远小于传统的双折射品体，使之可 寸厚度，超强旋光性，展示了巨大的优越性。Svirko等在 能成为红外集成光学元器件。 2001年就提出，由介质相隔的两个相互有夹角的金属棒之而 另外，通过调控两个横向主轴方向的感抗和容抗，也能 的电合会导致于征甲应。以电，Zo等 世探了 实现类似于波片的功能。Pfeiffer等)用这种方法在红外通 数与乎证性的关系。Kuwt onokami等 提出 种年 信波段实现了透射波x2的相移，使线极化波转换为圆极化 层十子结构，在入被事入别下·旋光性达10 mm 波。 提出了双层十子结柯 2旋光性 也 该结构 手征是一个纯粹的几何概念，指物质与其镜像之间缺少 用入 几何对称性，不能通过平移和旋转操作使两者重合。手征 超介质具有旋光性，圆二色性以及不对称传输等特性，近20 多年米一直受到人们极大的关注[的， 结构具 的负折射率和对线 旋光性是指透射波相比于入射波的偏振面发生旋转。 振光极强的旋光性(267000 旋光角度6可以用透射系数t。和t,+的相位差表示. . 4=(arg+)-arg1-) (2) 人原不石在克流入类为生电一 ,CD)是指左旋圆偏振光和 D=t++一t- (3) 图5《)在倾斜入射下能引起旋光性的对称结构超原子 (b)不同入射角度下的偏振被透射系数（电子版为彩图） Fig.5 (a)Optical activity induced metatom under obiqe incident:(b)cireular polarization coefficient under different incident anglet 手征是造成旋光性的原因，结构本身具有的几何手征彩 为本征手征。在入射光领斜入射的情况下，由结构和波矢构 14 成的手征性，也可以导致旋光性，称之为外致手征，Sersie 等[的研究发现在光斜入射的情况下，不管散射单元是否为 图 (®)右型手征超表面结构电镜扫描图；(b)圆偏振波透身 手忙结的都且右埃光性 电子版为衫 Feng第1司使用频域有限积分法(Fr y domain f- ig. nite integral method)数值模拟了电磁被在斜入射的情况下 (b) 发现通过优化单元结构，可大大增加单元的圆二色性和旋光 onversion 性。Krk等切提出了一种理论倾型，定量分析了在电磁波 在19世纪初，科学家发现自然界中有些物顺具有旋光 倾斜入射的情况下，超表面单元的旋光性响应，并且进行了 性，即可以旋转入射光的偏振面门，自然界物质（如萄萄糖 实验验证。近来，Yu等切采用单层非手征结构超表面，通过 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
化的偏振转换。这两种超表面实际上的功能相当于四分之 一波片，而且实际尺寸远远小于传统的双折射晶体，使 之 可 能成为红外集成光学元器件。 另外，通过调控两个横向主轴方向的感抗和容抗，也 能 实现类似于波片的功能。Ｐｆｅｉｆｆｅｒ等［４］用这种方法在红外通 信波段实现了透射波π／２的相移，使线极化波转换为圆极化 波。 ２ 旋光性 手征是一个纯粹的几何概念，指物质与其镜像之间缺少 几何对称性，不能通过平移和旋转操作使两者重合［５］。手征 超介质具有旋光性、圆二色性以及不对称传输等特性，近２０ 多年来一直受到人们极大的关注［６］。 旋光性是指透射波相比于入射波的偏振面发生旋转。 旋光角度 可以用透射系数ｔ－－ 和ｔ＋＋ 的相位差表示。 ＝１ ２（ａｒｇ（ｔ＋＋ ）－ａｒｇ（ｔ－－ ）） （２） 式中：ｔ＋＋ （ｔ－－ ）表示右旋（左旋）波入射转换为右旋（左旋）偏 振波的转换系数。 圆二色性（Ｃｉｒｃｕｌａｒｄｉｃｈｒｏｉｓｍ，ＣＤ）是指左旋圆偏振光和 右旋圆偏振光透过率不同的现象，可以表示为： ＣＤ＝｜ｔ＋＋｜２－｜ｔ－－｜２ （３） 图４ （ａ）右型手征超表面结构电镜扫描图；（ｂ）圆偏振波透射 系数（上）和线偏振波（下）转换系数［１２］（电子版为彩图） Ｆｉｇ．４ （ａ）ＴｈｅＳＥＭｉｍａｇｅｏｆｒｉｇｈｔ－ｓｈａｐｅｃｈｉｒａｌｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ； （ｂ）ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅｏｆｃｉｒｃｕｌａｒｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｌｉｇｈｔ（ｕｐ）ａｎｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｌｉｎｅａｒｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ（ｄｏｗｎ）［１２］ 在１９世纪初，科学家发现自然界中有些物质具有旋光 性，即可以旋转入射光的偏振面［７］。自然界物质（如葡萄糖、 石英等）的旋光性比较弱，而人工手征超表面具有亚波长尺 寸厚度、超强旋 光 性，展示了巨大的优越性。Ｓｖｉｒｋｏ等［８］在 ２００１年就提出，由介质相隔的两个相互有夹角的金属棒之间 的电磁耦合会导致手征响应。类似地，Ｚｈａｏ等［９］ 也探究了层 数与手征性的关系。Ｋｕｗａｔａ－Ｇｏｎｏｋａｍｉ等［１０］提出了一种单 层十字 结 构，在入射波垂直入射下，旋 光 性 达 １０４ （°）／ｍｍ。 Ｄｏｎｇ等［１１］提出了双层十字结构，该 结 构 在 通 信 波 段（１．５５ μｍ）处展现了强旋光性和负折射率。同样，Ｄｅｃｋｅｒ等［１２］ 也研 究了类似结构的强旋光性，基本单元如图４所示。该结构采 用双 层 十 字 结 构，保持一个十字不动，另外一个十字旋转 ＋２２．５°或者－２２．５°形成一对异构体。数值模拟和实验结果 显示该结构具有旋光性和圆二色性。Ｌｉ等［１３］ 采用 Ｃ－４（４重 旋转轴）的 Ｌ形结构，该结构具有极强的负折射率和对线偏 振光极强的旋光性（２６７０００（°）／ｍｍ）。 图５ （ａ）在倾斜入射下能引起旋光性的对称结构超原子； （ｂ）不同入射角度下的圆偏振波透射系数［１５］（电子版为彩图） Ｆｉｇ．５ （ａ）Ｏｐｔｉｃａｌａｃｔｉｖｉｔｙｉｎｄｕｃｅｄｍｅｔａ－ａｔｏｍｕｎｄｅｒｏｂｌｉｑｕｅ ｉｎｃｉｄｅｎｔ；（ｂ）ｃｉｒｃｕｌａｒｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｃｉｄｅｎｔａｎｇｌｅ［１５］ 手征是造成旋光性的原因，结构本身具有的几何手征称 为本征手征。在入射光倾斜入射的情况下，由结构和波矢构 成的手征性，也可以导致旋光性，称之为外致手征［１４］。Ｓｅｒｓｉｃ 等［１５］ 的研究发现在光斜入射的情况下，不管散射单元是否为 手性，结构都具有旋光性。 Ｆｅｎｇ等［１６］使用频域有限积分法（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｆｉ－ ｎｉｔｅｉｎｔｅｇｒａｌｍｅｔｈｏｄ）数值模拟了电磁波在斜入射的情况下， 发现通过优化单元结构，可大大增加单元的圆二色性和旋光 性。Ｋｒｕｋ等［１７］ 提出了一种理论模型，定量分析了在 电 磁 波 倾斜入射的情况下，超表面单元的 旋 光 性 响 应，并 且 进 行 了 实验验证。近来，Ｙｕ等［１８］ 采用单层非手征结构超表面，通过 超表面在红外波段的光传输特性：偏振控制、旋光性和不对称传输／潘威康等 · ７３７ ·
,738 村料导报A,绽述高 2018年3月(A)第32卷第3期 调节结构几何尺寸，可以控制旋光性。L山等四采用一种双 SRR结构，探究磁响应与旋光性的关系，并发现只有在斜入 射的情况下才有旋光性， 3不对称传输 为了简便，用ABCD分别代替式(1)中的t12t, :。根据互易定理，反向传插时上可以表示为： -(9 (4) 利用基底变换，对圆偏根波，琼斯矩阵T可表示为： T.= -8A08 (5) 式中：i代表虚数。 不对称传输是指对某一偏振波来说前向传输和后向传 15 输效事不同，其中不对称传输参数用△表示 (a)三手征结构超表面基本单元和(b)透射系数 △=T:-T:=（1A1+1C)-(1AP+1B) Unit cel of th =CI-B=- (6) 式中：T表示向前传输的x编振波，T表示向后传输的 2006年，Fed0tov第[首次发现平面手征介质且有圆转 换二色性，即对入射的左旋和右旋圆偏振光的转换效率不 m 同，这种效应导致了偏振波的不对称传输。下edotov等回提 出并分析了一种金属鱼形结构，发现该结构对于前向和反 向入时的其二持定圆偏报波，其麦面等惠子体北报的瑞座和 位置都不同，这是造成偏振波不对称传输的根本原因，并且 m. 进行了实验验证。这种鱼鳞形结构届于平面手征结构) 平面手征结构没有打破其传播方向的对称性，严格米 说，不是真正的手征。在2010年，Mezl等提出一种打 玻传播方血上对张性的手征超表面，从理论知实验上证实了 0 圆极化波和线极化波的不对称传输现象，该结构基本单元 如图6(a)所示，由一层纳米金属棒和一层L形金属结构组 成。由手L形结物臂长不园，是致了超表面单元结构的各向 异性，引起圆极化波不对称传输（图6(b)。面钠米金属线打 破了传输方向上的对称性，使之成为真正的D手征结构。 Menzel等2通过琼斯矩阵计算分析，把周期性超表而分为 五类。 Lu等[到也设计了一种在传输方向上打破对称性的结 图7(a》三维无对称性手征超表面：(b)不对称参数[町 构单元，实现了对圆极化波和线极化波在同一响应波段的不 Fig.7 (a)Three demission chiral metasurface without any 对称传输，而且不对称传输参数分别达到0.56和0,30。结构 ymmetry:(b)the asymmetric parameter 基本单元如图7所示，由h形和H形金属结构组成，通过数 为中心的115%工作带宽 ,这些虽然是针对 工作在微段的 值模拟结构的表而电流，进一步解释了不对称传输机理：平 Pieiffe 行电流发形成电偶侵子，反问平行电流形成偶极子，电 统的设 偶极子和磁偶极子的相互作用导致电磁场强耦合效应和更 1iu等提出 一种三明治结构的超表面（图8），这是 高的不对称传输参数， 种由两侧相互垂直的金属光桶夹着开口谐振环的三层结构 为了改善超表而的传输效率和增加响应带宽，研究者们 金属光栅和开口谐振环之间构成类法布里 珀罗诺振腔，谐 也做了很多优化设计工作。Chn等提出基于遗传算法优 腔对电磁被有选择性，这种设计可以大大增加或弱目标入 化设计超表面，Sui等可改进了遗传算法，得到在以19GH 射透射光可. 1004.2018chin House All rights reserve http://www.cnki.ne
调节结构几何 尺 寸，可 以 控 制 旋 光 性。Ｌｉ等［１９］采 用 一 种 双 ＳＲＲ结构，探究磁响应与旋光性的关系，并发现只有在斜入 射的情况下才有旋光性。 ３ 不对称传输 为了简便，用 ＡＢＣＤ 分 别 代 替 式 （１）中 的ｔｘｘ，ｔｘｙ，ｔｙｘ， ｔｙｙ。根据互易定理，反向传播时Ｔ＾ｂ ｌｉｎ可以表示为： Ｔ＾ｂ ｌｉｎ＝ Ａ －Ｃ （ ） －Ｂ Ｄ （４） 利用基底变换，对圆偏振波，琼斯矩阵Ｔｃｉｒ可表示为： Ｔｃｉｒ＝ ｔ＋＋ ｔ－＋ （ ） ｔ＋－ ｔ－－ ＝１ ２ Ａ＋Ｄ＋ｉ（Ｂ－Ｃ） Ａ－Ｄ－ｉ（Ｂ＋Ｃ） （ ） Ａ－Ｄ＋ｉ（Ｂ＋Ｃ） Ａ＋Ｄ－ｉ（Ｂ－Ｃ） （５） 式中：ｉ代表虚数。 不对称传输是指对某一偏振波来说前向传输和后向传 输效率不同，其中不对称传输参数用 Δ表示。 Δｘ ｌｉｎ＝Ｔｆ ｘ－Ｔｂ ｘ＝（｜Ａ｜２＋｜Ｃ｜２）－（｜Ａ｜２＋｜Ｂ｜２） ＝｜Ｃ｜２－｜Ｂ｜２＝－Δｙ ｌｉｎ （６） Δ＋ ｃｉｒ＝｜ｔ－＋｜２－｜ｔ＋－｜２＝－Δ－ ｃｉｒ （７） 式中：Ｔｆ ｘ 表示向前 传 输 的ｘ 编 振 波，Ｔｂ ｘ 表示向后传输的ｘ 偏振波。 ２００６年，Ｆｅｄｏｔｏｖ等［２０］ 首次发现平面手征介质具有圆转 换二色性，即对入射的左旋和右旋圆偏振光的转换效率不 同，这种效应导致了偏振波的不对称传输。Ｆｅｄｏｔｏｖ等［２１］提 出并分析了一种金属鱼鳞形结构，发现该结构对于前向和反 向入射的某一特定圆偏振波，其表面等离子体共振的强度和 位置都不同，这是造成偏振波不对称传输的根本原因，并 且 进行了实验验证。这种鱼鳞形结构属于平面手征结构［２２］。 平面手征结构没有打破其传播方向的对称性，严 格 来 说，不是真正 的 手 征。在２０１０年，Ｍｅｎｚｅｌ等［２３］提 出 一 种 打 破传播方向上对称性的手征超表面，从理论和实验上证实了 圆极化波和线极化波的不对称传输现象。该结构基本单元 如图６（ａ）所示，由一层纳米金属棒和一层 Ｌ 形 金 属 结 构 组 成。由于 Ｌ形结构臂长不同，导致了超表面单元结构的各向 异性，引起圆极化波不对称传输（图６（ｂ））。而纳米金属线打 破了传输方向 上 的 对 称 性，使之成为真正的 ３Ｄ 手 征 结 构。 Ｍｅｎｚｅｌ等［２４］ 通过琼斯矩阵计算分析，把周期性超表面分为 五类。 Ｌｉｕ等［２５］ 也设计了一种在传输方向上打破对称性的结 构单元，实现了对圆极化波和线极化波在同一响应波段的不 对称传输，而且不对称传输参数分别达到０．５６和０．３０。结构 基本单元如图７所示，由ｈ形和 Ｈ 形金属结构组成，通过数 值模拟结构的表面电流，进一步解释了不对称传输机理：平 行电流激发形成电偶极子，反向平行电流形成磁偶极子，电 偶极子和磁偶极子的相互作用导致电磁场强耦合效应和更 高的不对称传输参数［２６］。 为了改善超表面的传输效率和增加响应带宽，研究者们 也做了很多优化设计工作。Ｃｈｅｎ等［２７］ 提出基于遗传算法优 化设计超表面；Ｓｕｉ等［２８］ 改进了遗传算法，得到在以１９ＧＨｚ 图６ （ａ）三维手征结构超表面基本单元和（ｂ）透射系数［２３］ Ｆｉｇ．６ （ａ）Ｕｎｉｔｃｅｌｌｏｆｔｈｅ３Ｄｃｈｉｒａｌｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅａｎｄ （ｂ）ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ［２３］ 图７ （ａ）三维无对称性手征超表面；（ｂ）不对称参数［２５］ Ｆｉｇ．７ （ａ）Ｔｈｒｅｅｄｅｍｉｓｓｉｏｎｃｈｉｒａｌｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｏｕｔａｎｙ ｓｙｍｍｅｔｒｙ；（ｂ）ｔｈｅａｓｙｍｍｅｔｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒ［２５］ 为中心的１１５％工作带宽。这些虽然是针对工作在微波段的 超表面，但对光波段的超表面设计也有借鉴意义。Ｐｆｅｉｆｆｅｒ 等［４］ 基于频率选择表面设计，提出了一种系统的设计方法。 Ｌｉｕ等［２９］ 提出一种三明治结构的超表面（图８），这 是 一 种由两侧相互垂直的金属光栅夹着开口谐振环的三层结构。 金属光栅和开口谐振环之间构成类法布里－珀罗谐振腔，谐振 腔对电磁波有选择性，这种设计可以大大增加或减弱目标入 射透射光［３０］。 · ８３７ · 材料导报 Ａ：综述篇 ２０１８年３月（Ａ）第３２卷第３期
超表西在红外波段的光传输特性：偏振控制、旋光性和不对称传输/潘成康等 ·739. 另外，Lm等提出一种简单的三层结构，该结构可以在 1.5一3um之间实现双带圆极化波的不对称传输。Wa 等四采用类法布里珀罗谐振腔结构，通过数值模拟结果显 示在83一233TH,线极化波不对称传输参数达0.9以上， ag等采用三层金属光，总厚度为1/5波长的超表面 实现了线极化波在1.2一2.0m之的不对称传输。等 用相互垂直的S形结构夹着金属光栅实现了对圆极化波从 1.2一2um的宽带不对称传输，且不对称传给系数最大达0,87。 4 超表面制作工艺 a 需要精密的纳米工艺技术 用电 Carl .td) 厚的金 1厚的S 下来用丙洗去 ,最后涂 .过积 如图9所示 届Au,然后在30kV,7.7pA下用聚焦离子束(FEI Helios 650)直接在蓝宝石上刻画图案（图10） 图8 面（图11）.首先，用商业负性光致抗蚀剂ARN4340旋涂 Fig.8（a)Sandwich like chiral】 玻璃基板。然后，用780田波长的镜蓝宝石盖光系统 mulation (Tsunami,Spectra-Pbysics)产生的撒光束通过高数值孔径油 图9 《)超表面制作示意图：(b)电镜扫描图四 ig. (a)Fabrication of metasu b)SEM picture of he metasu P灯与与灯灯 与灯灯与与 与与与与灯与 已已已已 图10用聚焦离子来刻蚀的超表面：(a)右手型手征超表面：(b)左手型手征超表面四 Fig.10 The metasurface patterned by focused ion beam lithography:(a)right-handed chiral metasurface (b)left-handed chiral metasurface 1994-2018 China Academie Joural Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
图８ （ａ）三明治结合手征超表面；（ｂ）数值模拟透射 系数［２９］（电子版为彩图） Ｆｉｇ．８ （ａ）Ｓａｎｄｗｉｃｈｌｉｋｅｃｈｉｒａｌｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ；（ｂ）ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ［２９］ 另外，Ｌｉｕ等［３１］ 提出一种简单的三层结构，该结构可以在 １．５～３μｍ 之间实现双带圆极化波的不对称传输。Ｗａｎｇ 等［３２］ 采用类法布里－珀罗谐振腔结 构，通过数值模拟结果显 示在８３～２３３ＴＨｚ，线极化波不对称传输参数达 ０．９以 上。 Ｚｈａｎｇ等［３３］ 采用三层金属光栅、总厚度为１／５波长的超表面 实现了线极化波在１．２～２．０μｍ 之间的不对称传输。Ｊｉ等［３４］ 用相互垂直的 Ｓ形结构夹着金属光栅实现了对圆极化波从 １．２～２μｍ的宽带不对称传输，且不对称传输系数最大达０．８７。 ４ 超表面制作工艺 制作这些纳米结构超表面需要精密的纳米工艺技术。 目前，纳米超表面一般采用电子束光刻 （Ｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｌｉ－ ｔｈｏｇｒａｐｈｙ）技术。Ｃａｒｌ等［４］以硅片为基底，首先用电子束光 刻技术（ＪＯＥＬＪＢＸ－６３００ＦＳ，ＪＯＥＬＬｔｄ），在９５０Ｋ Ａ４（甲 基 乙烯酸甲酯）上刻画图案。然后涂上２ｎｍ 厚的金属 Ｔｉ和２８ ｎｍ 厚的金属 Ａｕ。接下来用丙酮洗去聚合物。最后 旋 涂 上 ２００ｎｍ 厚的ＳＵ－８介质层，过程示意图如图９所示。 Ｗａｎｇ等［３５］ 在蓝宝石基底上，盖上一层１００ｎｍ 厚 的 金 属 Ａｕ，然后 在３０ｋＶ、７．７ｐＡ 下 用 聚 焦 离 子 束（ＦＥＩＨｅｌｉｏｓ ６５０）直接在蓝宝石上刻画图案（图１０）。 Ｊｉａ等［３６］ 使用双光子聚合技术，制作了互补型结构超表 面（图１１）。首先，用商业负性光致抗蚀剂 ＡＲ Ｎ４３４０旋 涂 玻璃 基 板。然 后，用 ７８０ｎｍ 波长的锁模蓝宝石激光系统 （Ｔｓｕｎａｍｉ，Ｓｐｅｃｔｒａ－Ｐｈｙｓｉｃｓ）产生的激光束通过高数值孔径油 图９ （ａ）超表面制作示意图；（ｂ）电镜扫描图［４］ Ｆｉｇ．９ （ａ）Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ；（ｂ）ＳＥＭｐｉｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ［４］ 图１０ 用聚焦离子束刻蚀的超表面：（ａ）右手型手征超表面；（ｂ）左手型手征超表面［３５］ Ｆｉｇ．１０ Ｔｈｅｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｐａｔｔｅｒｎｅｄｂｙｆｏｃｕｓｅｄｉｏｎｂｅａｍｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：（ａ）ｒｉｇｈｔ－ｈａｎｄｅｄｃｈｉｒａｌｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ； （ｂ）ｌｅｆｔ－ｈａｎｄｅｄｃｈｉｒａｌｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ［３５］ 超表面在红外波段的光传输特性：偏振控制、旋光性和不对称传输／潘威康等 · ９３７ ·