近日，复旦大学光科系孙树林教授与物理学系周磊教授合作，在超构表面调控近远场光学环境方面取得了重要的研究进展，设计并制备出超构表面可在不同手性圆偏振光照射下高效率激发近场表面波并对其波前实现多功能调控，或者将入射光分别在近场和远场区域进行高效率光场波前剪裁，相关成果发表在Advanced Science和Nanophotonics上。

   表面波（包括表面等离激元、人工表面等离激元等）是一种局域在金属等材料表界面的电磁本征模式，所携带的水平波矢分量大于真空中电磁波的总波矢，因此具有亚波长分辨和局域近场增强等奇异光学性质。表面波的相关研究一直是纳米光子学领域的研究热点，在增强光学透射、超分辨成像、光学通讯、增强光学吸收、化学/生物传感等方面具有重要的应用价值。为了实现以上应用目标，不仅需要高效率激发表面波，而且希望能够有效调控表面波的光场形貌。为此，人们曾提出利用棱镜、光栅等耦合器实现表面波的激发，另外也提出引入传统光学器件来调控表面波的波前分布，然而实现这两种功能不仅需要不同的光学器件，而且通常存在体系尺寸大、效率低、功能单一、不易集成等问题。

   为了解决表面波的高效激发问题，复旦大学周磊团队曾提出利用反射式超构表面实现传输波高效耦合表面波的新机制[Nature Materials 11, 426 (2012)]，其物理原理是通过设计超构表面的反射相位梯度来补偿两种不同电磁模式间的波矢差。在电磁波照射下，超构表面上不同位置的反射波作为次波源相互叠加形成反射波阵面，而反射相位梯度就提供了一个等效平行波矢，使反射波沿着非镜面方向传输；当该等效波矢大于真空中电磁波波矢时，超构表面可将传输波完美转化为表面波。基于该新机制，团队之后进一步设计出透射式超构表面实现了高效率表面波耦合器，有效的克服了以往耦合器中存在的反射损耗和解耦损耗等问题[Light: Science & Applications 5, e16003 (2016)]，这批工作是该团队获得国家自然科学二等奖（2019）和上海市自然科学一等奖（2016）的代表性成果。

图1 基于超构表面实现近场表面波及远场传输波独立调控的物理概念与数值验证。

   最近，该团队报道了一种超构表面可以同时实现对远场传输波和近场表面波的波前进行高效调控。以往人们提出的一些超构表面体系，主要是分别围绕远场电磁波或是近场表面波进行调控的，其工作效率往往也不高。该团队提出了一种高效率复合相位超构表面的设计方案，可以同时实现对近场和远场电磁波进行独立的双功能调控。首先，通过精准设计超构表面在两维方向的相位梯度，保证其提供的总波矢大于电磁波的总波矢来实现表面波的激发；其次，调控超构表面不同位置处激发出表面波的相位分布，使得表面波保持预设的波阵面形貌，通过结合共振相位和几何相位两种机制，在同一块超构表面上集成两套完全不同的两维相位分布，在不同自旋电磁波激发下实现两种独立的近场表面波波前形貌。该团队基于等效媒质模型分析、全波数值模拟以及微波近远场实验，验证了这种复合相位超构表面具有高效率手性解耦的电磁调控功能，而且在一定频率和入射角度范围内均可工作。

   此外，该团队和天津大学合作在太赫兹频段实现了表面波的高效激发及波前调控。首先，根据琼斯矩阵理论指导在太赫兹波段设计出偏振转化（相对）效率近100%的人工原子，制备出几何相位超构表面耦合器高效激发表面波，其耦合（绝对）效率超过60%（中心工作频率为0.4THz）；之后,设计超构表面在另一方向的几何相位分布，在左右旋圆偏振太赫兹光照射下激发出聚焦或发散的表面波；最后，同时引入共振相位与几何相位机制实现手性解绑的近场双功能光学调控，例如将不同手性的太赫兹光耦合成聚焦或者偏折的表面波。全波数值模拟和近场扫描实验完美验证了以上三个太赫兹功能器件的表面波激发和调控效应。

图2 超构表面实现手性光近场双功能调控示意图。

    基于这些最新研究成果，人们借助单个超构表面器件就可以实现高效率表面波激发及其波前调控，这对未来集成光子学应用具有重要意义，实现了对近场光学环境的灵活自由的调控能力，为增强光与物质相互作用提供了理想的高效率集成化平台。以上工作分别以“Helicity-delinked manipulations on surface waves and propagating waves by metasurfaces”为题发表在Nanophotonics 9, 3473 (2020)（DOI: 10.1515/nanoph-2020-0200）上，和以“Excite Spoof Surface Plasmons with Tailored Wavefronts Using High-Efficiency Terahertz Metasurfaces”为题发表在Advanced Science 7，2000982 (2020) （DOI:10.1002/advs.202000982）上。复旦大学为以上工作的第一单位，复旦大学光科系孙树林教授和物理学系周磊教授为论文共同通讯作者，复旦大学博士生王卓、李士青、天津大学张学迁老师为论文共同第一作者，天津大学韩家广教授也为本项目提供了大力协助。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金、复旦长光合作基金的资助。

全文链接：

【1】https://www.degruyter.com/view/journals/nanoph/9/10/article-p3473.xml

【2】https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000982