基于椭圆型金属超构表面的光子自旋调控SPP聚焦效应

The focus of surface plasmon polaritons (SPP) is the basis for studying plasmonic lens and plasmonic trapping micro/nano particles. In order to studies the SPP focusing by elliptical metallic metasurface, this project mainly combines FDTD numerical simulation method and electron beam lithography (EBL) technology. Firstly, this project will introduce the symmetry breaking for elliptical nanostructure and then study the effect of SPP focusing based on the elliptical metallic metasurface. Secondly, according to adjusting the size, ellipticity and thickness of the elliptical structure, the resonant frequency, amplitude and phase of the structural are regulated. Then, the elliptical structures with different amplitudes and phases will be arranged into a metasurface with external orbital angular momentum. At last, this project will study the SPP focusing position and focusing length based on the interaction between photonic spin and the external orbital angular momentum. The purpose of this project is to analyze the physical mechanism of SPP focusing, obtain the high-efficiency SPP focusing effect, and regulate the SPP focusing spot position and spot length, effectively. The research of this project is not only academically significant, but also provides a theoretical basis for optical research such as micro-nano optical regulation, information storage and biosensing.

表面等离激元（SPP）的聚焦是研究等离激元透镜、等离激元捕获微纳颗粒等前沿科技问题的基础。本项目主要结合FDTD数值仿真技术及电子束曝光技术（EBL），以椭圆型金属超构表面为基础，研究SPP的聚焦效应。首先本项目研究椭圆型金属微纳结构引入对称性破缺对超构表面中SPP聚焦效应的调控；其次通过优化椭圆结构的尺寸、椭偏度及金属厚度，调节结构单元的共振频率、振幅和相位，并将不同振幅、相位的椭圆结构排列成具有外在轨道角动量的超构表面，研究入射光与超构表面发生自旋-轨道相互作用时对SPP聚焦位置、聚焦长度等的调控。本项目旨在通过分析组成超构表面的各部分之间所产生SPP的相互作用，深入探究SPP聚焦的物理机制，并获得SPP的高效聚焦，及对SPP聚焦光斑位置、光斑长度的有效调控。本项目研究不仅在学术上具有重要意义，还可以为微纳光学调控、信息存储和生物传感等光学研究提供理论基础。

超构表面一般指厚度远小于波长的二维超构材料。通过设计组成超构材料结构单元的大小、形状、及其排列方式能够对入射到超构材料的电磁波进行有效的调控。例如通过设计结构单元的形状可以实现电磁波的不对称透射(AT)效应、偏振转换效应，完美吸收效应等，另外通过对超构材料结构单元的组合及调整能够实现对电磁波的波前、相位及振幅的调控，从而实现光的异常折/反射效应、聚焦等效应。本项目是在超构材料的AT效应、偏振转换效应、异常折射效应、全吸收效应等的研究前提下，对超构表面与介质分界面上表面等离激元(SPP)聚焦效应进行研究：(1)研究超构表面聚焦效应的物理机制；(2)利用模拟软件研究入射光的自旋状态（偏振状态）、组成超构表面的金属微纳结构的几何参数、结构破缺及其组成超构表面时的排列方式对 SPP 聚焦效应的影响；(3)采用实验方式制备样品、测试结果研究SPP聚焦效应并与模拟相结合。通过对本项目的研究发现(1)利用金属棒结构排列组合成风车形状的结构单元时能够实现x或y偏振光的多频带AT效应，在260THz时AT达到最大值0.72。(2)将风车形状简化为T型结构时x和y偏振光的AT效应同时在不同频率下实现，并且能够在101到 115 THz和156到170 THz分别实现x到y偏振和y到x偏振的转换，转换效率近似为100%。(3)考虑金属棒与V型结构的几何相位及动态相位，并按照相位梯度排列成单层的超构表面时不仅能够实现左旋和右旋圆偏振光的转换，并且可以使这两种自旋光分别在XZ和YZ平面发生异常折射，进而实现自旋解耦合效应。本项目的研究为超构材料及超构表面在光成像、超透镜、超全息、编码、隐身、光束偏转等光电研究中的应用提供了理论基础。