基于等离子体超表面纳米结构的光场偏振态调控器件的微区光谱表征

  超表面      非线性光学      角分辨光谱   

【概述】南开大学物理科学学院教授、南开大学“百名青年学术带头人计划”入选者任梦昕，多年从事基于 微纳耦合光学体系 下的非线性调控及其应用研究，目前已发表国际权威期刊 Nature Communications、Advanced Materials、Nano Letters 等发表论文 10 余篇。

图1，等离子体超表面偏振效应的非线性调控方案

任教授在 Light: Science and Applications 杂志上发表了一篇名为《Reconfigurable metasurfaces that enable light polarization control by light》的文章。该文章描述了一种通过在微纳体系下等离激元场与物质间的耦合共振增强作用，实现对光场偏振态动态调控的光谱偏振调制器件。

【样品 & 测试】该器件利用超表面的光致异构化特性，在光学频率上实现偏振调谐。该等离子体超表面纳米结构的结构特点为：在 500μm 厚熔融石英衬底上镀 100nm 厚的金膜，然后经过刻蚀晶格周期为 300nm 的 “L” 型狭缝阵列后获得 50×50μm² 的微结构区域，最后将经过 PMMA 及乙醇处理的偶氮乙基红旋涂在上述超表面上。

图2，等离子体纳米结构的光谱表征

为了更好的展现等离子体超表面纳米结构对偏振态的调控作用，作者利用 复享微区光谱系统 对样品进行了表征，获得了反射、透射、吸收光谱，并证实了光谱与偏振角度的改变具有很好的相关性（图2）。

图3，等离子体超表面偏振效应的非线性调控

为了证明这种偏振调控方案和原理的可行性，作者做了大量的验证及对比试验（图3）。通过不加光照刺激与 4mW 光照刺激的光谱对比试验，光谱在光照下明显发生蓝移，证明了光刺激调控偏振角度的可行性。通过 1~4mW 光照刺激的光谱对比试验，证实了偏振角度改变与刺激光功率具有很好的相关性。在 4mW 光照刺激下，调控偶氮乙基红（azo ethyl red）的等离激元模式与同质异能态之间的耦合条件，实现了至少 20° 的非线性透射偏振角度的改变。

图4，文章对复享微区光谱的标注

【总结】本文提出并证明了一种基于等离子体超表面纳米结构的光谱偏振调节方案，并用实验揭示了这个方案的可行性，得出了相关性能参数。这种光调节偏振的调控方案，为超表面的动态调控领域提供了一种新的理论及方法，在光源、显示、传感、检测等多个领域起着关键的作用。
复享光学提供的微区光谱设备在文中很好的表征了测试样品的反射、透射、吸收光谱，证明了光谱与偏振光角度的相关性，测试了不同条件下的偏振调控效果，为特定微纳区域光谱表征提供了一种标准、有效的测试手段。▌

【参考文献】

 ✽ Ren, Meng-Xin, et al."Reconfigurable metasurfaces that enable light polarization control by light." Light: Science and Applications 6.6 (2017).