对于集成等离激元光路，仅能控制SPP的传播方向并不足以完成复杂的相干信息处理，还需要对SPP的激发强度和相位进行独立、连续调节。传统棱镜或光栅方案通常依赖庞大光学元件、入射角调节或复杂干涉结构，难以在超薄平面器件中实现振幅与相位的同步可控。内容包括：本工作在金属—介质界面附近布置周期性金纳米偶极天线阵列，并使天线取向沿x方向具有恒定旋转梯度。单个天线散射场的反手性分量携带2φ的Pancharatnam–Berry几何相位，因此阵列同时提供普通周期结构的光栅动量与偏振相关的额外几何相位动量。在800 nm设计波长附近，RCP与LCP分别优先耦合到相反方向传播的SPP；通过将入射偏振从线偏振连续改变为椭圆偏振和圆偏振，可以连续改变左右两个SPP通道的相对激发强度，实现振幅控制。进一步地，在保持线偏振条件时，两个方向SPP的强度近似相等，但其相对相位随线偏振方位角α变化。作者利用两侧出耦光栅产生的远场干涉条纹测量相位，实验显示双向SPP的相位差Δ与入射线偏振角呈线性关系，满足Δ≈2α，因此单路SPP相对于激发场的相位可随偏振角连续调节。样品由130 nm金膜、30 nm MgF₂间隔层及约200 nm×100 nm、厚约33 nm的金纳米天线构成，阵列周期ax=650 nm、ay=500 nm，相邻天线旋转步长为π/8；实验在设计波长处RCP激发效率约为4%。创新点：在同一超薄超表面架构中，将入射光的“偏振椭圆率”与SPP振幅控制对应，将“线偏振方位角”与SPP相位控制对应，从而实现对SPP振幅和相位两个关键自由度的独立、连续调节；相位控制依赖几何相位而非窄带共振，因此具有较好的概念通用性，并可推广到介质波导模式耦合。文章结论：实验同时验证了手性依赖的单向SPP激发和偏振控制的相位调制，证明纳米天线超表面可以在不改变器件几何结构的情况下，仅通过入射偏振态同步塑造SPP的强度与相位。作者指出该概念可用于自由空间光与集成波导之间的可控耦合、量子态工程，并可结合液晶薄膜等动态偏振调制手段形成完整的集成光学器件。启发:本工作进一步建立了“偏振参数—SPP复振幅”的映射关系，即通过一个超表面直接调控SPP的幅度和相位。这种思想可用于构建具有相干处理能力的片上探测与计算器件：如果在后端加入干涉、光电转换或多端电极读取，就有可能把入射光的偏振状态编码为多个电学可测量量，为无机械扫描的偏振/相位联合探测提供器件基础。
文献来源：ACS Photonics 2016, 3, 124–129; DOI: 10.1021/acsphotonics.5b00536
作者信息：Holger Mühlenbernd, Philip Georgi, Nitipat Pholchai, Lingling Huang, Guixin Li, Shuang Zhang, Thomas Zentgraf
报告人：袁斌杰
