【综述】《Materials Today》：基于红外超表面的紧凑型偏振纳米器件
1. 回顾了红外超表面在标准和高阶庞加莱球上偏振的生成、操纵和检测方面的最新进展；
2. 介绍了这些过程的原理、典型策略和新兴应用；
3. 讨论了这一新兴领域的挑战和未来发展前景。
红外超表面，特别是工作范围为0.75至25μm的超表面，由于其在军事和民用领域的潜在应用，已被开发为操纵电磁波特性的革命性工具。它拥有在亚波长范围内控制电磁波的能力，具有相位、振幅和偏振等全自由度，允许开发许多平面超器件，包括超透镜、全息图、波片和偏振仪。特别是，决定电磁波与物质相互作用的极化在几乎每个科学领域都很重要。然而，用于红外偏振控制的传统材料不可避免地引入额外的光学元件和庞大的配置，阻碍了未来的小型化和集成化。此外，与短波长相比较，由于材料损耗和不成熟的制造技术，红外波段尤其是长波红外波段的偏振纳米器件的研究还远远不够。
近日，新加坡国立大学Cheng-Wei Qiu、深圳大学Xinke Liu、Hui Yang团队以题为“Infrared metasurface-enabled compact polarization nanodevices”在《Materials Today》上发表红外超表面纳米器件综述文章。文中回顾了红外超表面在标准和高阶庞加莱球上偏振的生成、操纵和检测方面的最新进展。介绍了这些过程的原理、典型策略和新兴应用。还讨论了这一新兴领域的挑战和未来发展前景。
图1：概述了用于标准和高阶庞加莱球偏振控制的红外超表面的最新发展。
符号PS和HOPS分别是庞加莱球和高阶庞加莱球的缩写。省略号表示相应内容不在本次综述范围内。
图2：在标准PS和HOPS上表示偏振状态。
(a)标准PS上特定位置处一些典型极化状态的表达式。(b)HOPS上特定位置的一些典型偏振态的表达。这里，北极表示拓扑电荷m=1的右旋圆偏振涡旋光束，而南极表示拓扑电荷n=-1的左旋圆偏振涡旋光束。
图3：通常用作超表面构建块的红外材料的折射率(实部)。
沿水平轴的双侧箭头表示光学透明窗口。双面箭头的垂直位置表示近似平均折射率。蓝色实线描绘了金的折射率(实部)。
图4：标准PS上启用IR超表面的偏振操作。
(a)左图：由两个V形超级单元组成的无背景四分之一波片的示意图。右图：两个正交线性偏振光与波长之间的模拟相移和幅度比：(b)介电元器件的示意图由椭圆形硅元原子组成，根据相位延迟，它可以用作宽带半波片或宽带四分之一波片。(c)线性、圆形和椭圆形双折射的拓扑优化结构元件和偏振空间表示示意图。(d)左图：光学活动装置的示意图由非手性超表面组成。右图：设计的四个样品的实验透射率与分析仪角度u。(e)超表面矢量全息的示意图，其产生具有任意空间变化偏振态的全息图像。(f)能够在k空间中编码矢量全息图像和在实空间中编码二维码的介电超表面示意图。
图5：偏振调制红外功能超设备。
(a)用于光子自旋霍尔效应多维操作的元器件示意图，其中实现了依赖自旋的横向位移和纵向聚焦。(b)上图：偏振选择性宽带消色差聚焦光学涡流发生器的示意图，它产生具有不同拓扑电荷数的消色差聚焦。下图：制造的偏振控制元器件的SEM图像。(c)在两个正交线性偏振(x和y偏振)光下生成两个不同全息图的偏振复用介电超表面示意图。(d)螺旋度多路元全息图的SEM图像以及RCP和LCP入射光下的相应结果。(e)左面板：片上偏振分束器的示意图。右图：偏振分束器的功能，将TE和TM光束分成两个波导分支。(f)片上宽带偏振分集涡旋光束发生器的示意图，由硅波导上的叠加全息叉光栅组成，产生x偏振OAM-1和y偏振OAM+1。
图6：基于超表面的结构光生成。
(a)等离子体涡旋光束发生器的SEM图像和测得的远场强度分布(从左到右对应涡旋光束强度分布，具有共同传播的高斯光束的干涉图案和具有倾斜高斯光束的干涉图案光束)：(b)混合介电金属超表面的SEM图像和测量的远场强度分布。(c)J板的原理图和操作概念，将任意一对正交偏振态转换为具有独立拓扑电荷值的两束光束。(d)三种典型的共享孔径设计概念(分段、交错和谐波共振)和远场强度分布的示意图，具有从超表面出现的正(红色)和负(蓝色)螺旋。(e)基于介电超表面的3D涡流阵列的创建和重建过程示意图。(f)左图：具有独立振幅相位调制的超表面的示意图和SEM图像。右图：测量的具有各种拓扑电荷的完美矢量涡旋光束的交叉极化和干涉强度分布。(g)硅基OAM发射器的示意图，它可以在很宽的带宽上发射同轴OAM光束。
图7：结构光赋能应用。
(a)用于光学粒子捕获的广角光束转向元装置的示意图。(b)上图：概念图说明聚苯乙烯微珠的捕获和全介电元透镜的SEM图像。下图：分散在水中并通过偏振敏感拖放排列的不同直径的聚苯乙烯颗粒。(c)左图：使用紧密聚焦分段CVB的多维光学数据存储原理。右图：两瓣轮廓表示由线性偏振器产生的分段方位偏振和径向偏振光束。(d)实现明场成像和边缘增强对比度成像之间的自旋相关切换的自旋多路复用超表面的示意图。(e)使用全介电超表面的AM复用和解复用示意图。(f)OAM复用元全息图的示意图，它能够重建多个独特的OAM相关全息图像。(g)基于自旋相关光学几何变换的同轴CVB分选示意图，该变换将LCP和RCP分量转换为两个点。
图8：用于在标准PS上部分或完全偏振解析的IR超表面。
(a)用于光子自旋分辨的手性编码元孔径的示意图和SEM图像。(b)等离子体元光栅的工作原理：将入射光空间衍射到六个不同的方向，斯托克斯参数可以通过测量强度对比度来检索。(c)左面板：由两对金天线行组成的在线偏振计的示意图，间距为2k。右图：外耦合光栅的测量强度分布。(d)由七个超级电池组成的中红外肉类设备示意图，用于直接测量斯托克斯参数。(e)广义HartmannShack传感器的示意图由六个介电元透镜子阵列组成。(f)全息偏振测量的概念说明：偏振态可以通过识别手征幅度和手征相位差对比来解决。
图9：使用超表面解决HOPS上光束的偏振。
(a)由多个半环等离子体纳米狭缝组成的片上OAM模式探测器的示意图和SEM图像。(b)具有不同拓扑电荷的LCP涡旋光束下等离子体OAM探测器的示意图和模拟强度分布。(c)左图：相位调制OAM分束器的示意图和SEM图像。右图：具有各种角动量的入射光束的设备散射强度分布。(d)由具有不同角动量的两束光束照射的等离子体自旋霍尔纳米光栅的示意图。(e)基于自旋复用超表面确定光学奇点的示意图和模拟结果。(f)自由空间光学奇点测定实验装置示意图。
文章信息：
Guangtao Cao, He-Xiu Xu, Lei-Ming Zhou, Yan Deng, Yixuan Zeng, Shaohua Dong, Qing Zhang, Yangjun Li, Hui Yang, Qinghai Song, Xinke Liu, Ying Li, Cheng-Wei Qiu, Infrared metasurface-enabled compact polarization nanodevices, Materials Today, 2021, ISSN 1369-7021.
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.06.014