科研进展

表面波是一类光场能量被束缚在亚波长尺度下的本征局域电磁波模式，其物理概念和适用范围非常广泛，包括了介质与金属界面或二维材料界面上的表面等离极化激元（Surface Plasmon Polariton）模式、金属微结构界面上的人工表面等离极化激元（Spoof Surface Plasmon Polariton）和波导体系中的波导模式（Waveguide Mode）等，这类模式具有局域场增强以及亚波长分辨率等优点，在非线性效应、超分辨成像、虚拟/增强现实（VR/AR）、光学天线等相关片上光学应用中具有重要价值。为了实现这些目标，我们迫切需要将近场表面波模式高效解耦合为远场传输波模式，并对其光场形貌进行自由调控，相关研究成为微纳光学领域的重要热点方向。最近，超表面作为一种调控光学远场辐射的新型平台受到了人们的广泛关注，它能在亚波长尺度内对辐射光场的振幅、相位及偏振等诸多性质进行高效灵活调控。相比于传统的光学衍射器件，超表面具有亚波长、单模式、高效率、功能多样、调控自由度高等优势，具有更为灵活强大的调控能力度，相关研究可以极大提升集成光学相关领域的应用潜力和场景，具有重大的科学意义和应用价值。

复旦大学信息科学与工程学院孙树林教授团队在该综述中主要回顾了人们利用超表面对表面波的辐射场相位、振幅、偏振态的局域调控能力，从而实现对辐射场波前形貌的灵活控制，并且讨论了该领域面临的主要挑战和潜在的发展方向。首先，该论文以定向远场辐射效应为例，介绍了表面波远场辐射调控的基本原理。针对传统的布拉格衍射器件和最新的梯度超表面体系，根据费马原理分析了它们实现表面波远场辐射的物理机制和实现方法，这些讨论为后续介绍复杂远场辐射调控效应打下了基础。

  

图1 不同的表面波远场辐射调控原理。（a）光栅耦合器；（b）梯度相位超表面。

随后，根据辐射远场调控的复杂程度，文章由简到繁分别介绍了表面波的远场定向辐射调控、复杂辐射波前调控、多功能复用辐射波前调控等三个方面的研究进展。早期研究者们一般是利用周期型光栅引入反向波矢补偿来实现表面波的远场定向辐射效应，进一步利用周期渐变的梯度型光栅来实现光学聚焦等辐射调控目标，然而这类体系结构周期通常在波长量级，存在多模式、效率低、调控能力受限等问题。2012年，复旦大学团队开创性地提出利用尺寸渐变的人工单元构造梯度超表面，通过在界面上引入相位梯度为入射波补偿水平波矢，实现了远场传输波到近场表面波的高效率转化。受此启发，研究人员也开始研究利用超表面对表面波提供反向的波矢补偿，从而将表面波解耦合为传输波并向远场辐射，通过精心构造二维梯度相位分布，可以实现丰富多样的辐射波前调控效应。举例来说，人们提出一种基于几何相位超表面来调控表面波远场辐射的方法，实现了表面波的定向辐射、远场聚焦、涡旋光激发、全息成像等效应，其中的辐射场具有特定的圆偏振态，可以通过控制结构的旋转方向进行左右旋光之间的切换；特别有趣的是，通过调控人工几何相位单元的偏振转化率（Polarization Conversion Ratio），就能对表面波的辐射强度进行大范围调控，从而获得对辐射场振幅和相位的协同调控能力。另外，通过引入两维非均匀共振相位分布，可以把局域波导模式解耦合为自由空间传输波模式，实现了全息成像等功能。此外，将串联式超表面加工在铌酸锂波导上方，入射表面波将被不同位置处超表面逐渐分别解耦合到远场，从而实现多通道独立的远场辐射波前调控。简单来说，众多课题团队沿着相关方向开展了系列研究，实现了对表面波辐射波前进行自由灵活、功能多样的调控。

本研究采用封闭式的DMF芯片作为溶液颗粒样品平台，将应力降解诱导的蛋白质颗粒溶液加到DMF芯片上，并产生多个液滴用于拉曼光谱检测。将获得的蛋白质颗粒拉曼光谱对多个机器学习分类算法进行训练，得到了高分类准确率（93%–100%），最终成功表征和预测了八种类型的蛋白质颗粒。

图2 表面波的复杂远场波前调控。（a）全息光栅实现表面等离极化激元激励下的艾里光束和涡旋光束激发；（b）共振相位超表面实现介质波导模式的远场全息成像；（c）几何相位超表面实现表面等离激元的复杂远场波前调控；（d）串联型几何相位超表面实现铌酸锂波导模式的多功能远场全息。

最后，文章进一步介绍了表面波的多参量辐射光场调控研究。前面讨论的表面波远场辐射调控工作中，所采用的自由度是对辐射场相位分布的控制，但是往往忽略了对光场的振幅和偏振的调控。为此，研究人员提出了利用干涉效应实现辐射光场的偏振态调控。人们研究发现，通过改变不同元胞的几何特性并使其空间辐射场之间进行干涉叠加，可以实现对辐射场的振幅、相位、以及偏振的多参量协同调控，从而完成更加复杂的辐射远场调控目标，包括多通道多偏振光场激发、矢量光场辐射效应等，这就进一步提升了人们对辐射远场的调控能力。

图3 表面波远场矢量光场辐射调控。（a）偏振态可调的辐射远场聚焦; (b)任意矢量涡旋光束激发；（c）辐射光场的偏振态调控；（d）全参量可调的矢量光场辐射。

综上所述，超表面为表面波的辐射光场调控提供了一种崭新的途径。该团队的研究从远场辐射调控的基本原理和实现方法出发，介绍超表面所实现的表面波定向辐射、远场聚焦、涡旋光场激发、全息成像等灵活多样的波前调控效应。此外，人们也基于超表面实现表面波的多通道复用远场辐射调控以及全参量（相位、振幅、偏振等自由度）协同辐射远场调控。展望未来，人们也将进一步克服表面波辐射调控过程中能量损耗对调控功能的影响，并通过引入电压、温度、光场等自由度实现表面波远场辐射的动态调控功能，进一步来说，未来也会考虑将这种远场辐射调控理论拓展至实际工程应用中，例如漏波天线、激光雷达、微纳激光、虚拟/增强现实等领域，实现从前沿物理概念到真实应用场景的跨越。该工作获得国家重点研发计划 (2020YFA0710100, 2022YFA1404700), 国家自然科学基金(12221004, 62192771, 62005197)和上海市科技创新行动计划 (20JC1414601)资助，以“片上光学近场的远场辐射调控”为题作为封面文章发表在《光电工程》2023年第8期“超表面光场调控”专题。

原文链接：https://doi.org/10.12086/oee.2023.230173