片上光學(xué)近場的遠場輻射調(diào)控

陳宜臻，潘威康，金相宇，何 瓊，周 磊，孫樹林*

1 復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海超精密光學(xué)制造工程技術(shù)研究中心，上海 200433；

2 復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系，應(yīng)用表面物理國家重點實驗室，上海 200433

1 引言

近年來，納米科學(xué)與技術(shù)的飛速進步賦予了人們在微納尺度下對光進行傳輸及操控的能力，這使得光學(xué)器件能夠朝著未來所需的片上化、小型化和多功能化等方向發(fā)展，特別是光子集成芯片[1](photonics integrated circuit,PIC)這一概念得到了越來越多研究人員的關(guān)注。所謂光子集成芯片，就是指由一系列微納尺度的光控元件集成在一塊基片上形成的微型光學(xué)系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)的三維光學(xué)器件對自由空間傳輸光的調(diào)控，片上光子集成芯片主要針對局域在二維界面上或者波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的近場光進行調(diào)控，包括了常見的金屬-介質(zhì)界面或二維材料界面上的表面等離激元[2](surface plasmon polaritons,SPPs)模式、金屬微結(jié)構(gòu)界面上的人工表面等離激元[3](spoof surface plasmon polaritons,SSPPs)和介質(zhì)波導(dǎo)體系中的波導(dǎo)模式(Waveguide Modes,WMs)等。這是一類光場能量被局域在波長甚至亞波長尺度下的本征局域電磁波模式，也可統(tǒng)稱為表面波(surface waves,SWs)。得益于局域場增強以及亞波長分辨率等特性，表面波在增強光學(xué)非線性效應(yīng)[4]、光學(xué)傳感[5]、超分辨成像[6]、光力操控[7]等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而，由于表面波的能量是局域在近場區(qū)域，難以在遠場進行直接觀測和分析，所以往往需要借助掃描近場光學(xué)顯微鏡等偵測裝置，但是這類方法存在系統(tǒng)復(fù)雜、探測條件苛刻等挑戰(zhàn)；另外，在超分辨成像[6]，全息器件[8]、光學(xué)天線[9]等集成光學(xué)應(yīng)用場景下，我們需要將近場表面波模式解耦合為遠場傳輸波模式，因此研究表面波的遠場輻射效應(yīng)及其調(diào)控手段具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

事實上，表面波的輻射調(diào)控研究早在幾十年前就已經(jīng)開始得到人們的關(guān)注，其中“漏波天線”就是一種典型的應(yīng)用。早期的漏波天線是由開縫矩形波導(dǎo)構(gòu)成的，波導(dǎo)內(nèi)部的電磁波信號在傳輸?shù)倪^程中逐漸在開口狹縫處被散射到自由空間中[10]。后來，微帶線、共面波導(dǎo)等天線結(jié)構(gòu)的發(fā)展以及印刷電路板(printed circuit board，PCB)加工技術(shù)的成熟，使得漏波天線進一步走向了小型化、平面化、集成化的發(fā)展方向[11]。然而，漏波天線只是利用周期性結(jié)構(gòu)提供的倒格矢來實現(xiàn)一些定向輻射和波束掃描功能，存在功能受限、應(yīng)用場景單一等挑戰(zhàn)，難以實現(xiàn)較為復(fù)雜的遠場輻射調(diào)控效應(yīng)。

近年來，近場超分辨成像、增強現(xiàn)實、激光雷達等新型光學(xué)應(yīng)用的涌現(xiàn)，促使人們需要在不同頻段操縱近場光到遠場光的輻射效應(yīng)，甚至是需要實現(xiàn)對近場光的遠場輻射振幅、相位和偏振等多重自由度進行全方位、多功能的調(diào)控。為此，人們早期發(fā)展了布拉格衍射光學(xué)元件來實現(xiàn)局域光場的輻射調(diào)控效應(yīng)，包括均勻型及漸變型衍射光柵，然而這類器件存在效率低、尺寸大、調(diào)控自由度少等問題。最近，人們提出了利用二維超表面調(diào)控近場表面波的遠場輻射行為，這是由一系列精心設(shè)計的亞波長人工微結(jié)構(gòu)單元按照特定順序排列組成的人工電磁表面結(jié)構(gòu)[12-14]，相對于傳統(tǒng)的三維光學(xué)器件及二維衍射光柵，二維超表面可以在亞波長尺度內(nèi)調(diào)控輻射光場的多種電磁特性，具有調(diào)控效率高、自由度大、功能多樣、易于集成等諸多優(yōu)點，相關(guān)研究也得到了越來越多的關(guān)注。針對這一研究領(lǐng)域，本文將首先介紹片上局域近場光的遠場輻射基本原理，接著從遠場輻射調(diào)控方式和功能出發(fā)，介紹近年來研究人員在表面波的復(fù)雜遠場輻射波前調(diào)控、多功能復(fù)用遠場輻射調(diào)控、多物理參量遠場輻射調(diào)控等方面的研究進展，最后對該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)進行簡單總結(jié)。

2 表面波遠場輻射調(diào)控的基本原理

片上光場是一種能量局域在亞波長尺度內(nèi)的表面波模式，特點是其水平傳播波矢kSW大于遠場傳輸光波矢k0，由于波矢失配使得近場表面波無法與遠場傳輸波進行耦合。我們知道，雖然二維平面上的表面波遇到非連續(xù)界面或者雜質(zhì)時，由于散射效應(yīng)部分能量將會輻射到自由空間中去，但是這種遠場輻射場強度和方向往往都難以控制[15-17]。

為了精準補償表面波與輻射場之間的波矢失配，從而實現(xiàn)可以自由控制的表面波遠場輻射，人們前期主要是利用衍射光柵的倒格矢進行波矢補償。如圖1(a)所示，當(dāng)表面波入射到光柵區(qū)域時，會獲得反向倒格矢的作用使得水平波矢減少，從而實現(xiàn)表面波的遠場定向輻射效應(yīng)，該過程中滿足波矢守恒方程：

圖1 不同的表面波遠場輻射調(diào)控原理[18]。(a)光柵耦合器；(b)梯度相位超表面Fig.1 Different principles for far-field radiation manipulations of surface wave [18].(a) Grating couplers;(b) Gradient phase metasurfaces

其中：kSW是表面波的本征波矢，k0為光在自由空間的總波矢，m表示衍射級次，Λ表示光柵的周期。根據(jù)式(1)可知，對于表面波的某一階衍射模式(如m=-1) 而言，可以通過調(diào)節(jié)光柵周期 Λ來實現(xiàn)對表面波輻射角度θr的控制，另外需要注意的是，由于m也可以取其他整數(shù)，光柵將表面波解耦合到遠場過程中，有可能會同時輻射出多個衍射模式，因此該方法存在多模式、效率低、功能受限等問題。

不同于光柵衍射法，近年來本團隊提出了利用超表面實現(xiàn)表面波的輻射遠場調(diào)控的新方法，采用的原理是通過亞波長人工單元來構(gòu)造近似連續(xù)的界面相位分布，通過相位梯度補償前面提到的波矢失配[18]。如圖1(b)所示，假設(shè)沿著x軸正向傳播的表面波被定向解耦合到 θr方向上，如果分析任意兩個相鄰為 dx的光路，其中紅色這段光路將積累表面波的傳輸相位kSWdx，藍色這段光路將積累傳輸波相位k0dxsinθr，另外這兩段光路還會分別獲得人工原子所提供的突變相位 Φ 與 Φ+dΦ，根據(jù)費馬原理可得關(guān)系式k0sinθrdx+Φ=kSWdx+Φ+dΦ，整理可得到基于梯度相位超表面實現(xiàn)表面波定向遠場輻射過程中所需滿足的波矢守恒方程：

其中：ξ=dΦ/dx，表示相位梯度。從式(2)可知，只要調(diào)節(jié)超表面的相位梯度ξ，其方向與表面波波矢相反，就可以實現(xiàn)任意角度的遠場輻射，并且產(chǎn)生的遠場輻射模式是單一的。

除了基于一維相位梯度調(diào)制實現(xiàn)表面波的定向輻射外，我們還可以采用相同的原理設(shè)計二維相位梯度，基于惠更斯原理控制二維平面上每個局域位置處的亞波長人工微結(jié)構(gòu)的輻射相位，最終實現(xiàn)任意復(fù)雜的輻射光場調(diào)控。此外，通過調(diào)控人工微結(jié)構(gòu)單元的幾何尺寸、取向角度、空間位置等自由度，并引入改變表面波入射方向等手段，還能進一步實現(xiàn)多功能、全參量的表面波輻射光場調(diào)控功能，相關(guān)內(nèi)容將在后續(xù)章節(jié)中詳細介紹。

3 表面波的遠場輻射波前調(diào)控

本節(jié)將介紹各種表面波遠場輻射調(diào)控方面的研究成果，相關(guān)進展推動了光學(xué)系統(tǒng)朝著片上化、集成化、多功能化的方向發(fā)展，為眾多納米光子學(xué)相關(guān)應(yīng)用帶來新的啟發(fā)。

3.1 表面波的定向輻射調(diào)控

2002 年，Ebbesen 課題組提出了如圖2(a)所示的“Bull’s eye”結(jié)構(gòu)[19]，利用它把金屬納米孔洞異常透射光場的發(fā)散角度收窄到了大概±3°內(nèi)，實現(xiàn)了對小孔中所激發(fā)表面等離激元的遠場輻射的定向化控制。這種“Bull’s eye”周期性結(jié)構(gòu)尺度在波長級別，這使得研究人員擁有了在微納尺度內(nèi)定量調(diào)控近場光輻射特性的能力。利用類似結(jié)構(gòu)，研究者們實現(xiàn)了納米激光器輻射場[20]以及量子點熒光[21]的定向控制。這種現(xiàn)象究其原理并不復(fù)雜，例如所謂的“Bull’s eye”結(jié)構(gòu)實際上就是一種環(huán)形金屬光柵，光入射到納米孔洞內(nèi)所激發(fā)出的表面等離激元在光柵區(qū)域傳播時，其大部分能量就會因為光柵所提供的倒格矢作用被逐漸散射到某一階遠場衍射通道，從而實現(xiàn)近場光的定向性輻射傳播[22]。這種均勻型光柵結(jié)構(gòu)提供的倒格矢是固定的，因此表面波受其衍射作用輻射的波束近似是一種簡單的平面波。通過進一步引入周期漸變的光柵結(jié)構(gòu)，從而調(diào)控局域位置處的衍射角，Kim 等人實現(xiàn)了如圖2(b)所示的表面等離激元的遠場輻射聚焦效應(yīng)[23]。之后，Tang 等人還通過調(diào)整金屬狹縫光柵的狹縫位置給一階衍射通道引入迂回相位，從而使得其一階衍射模式的初始相位滿足一些特殊光束所需的相位分布，實現(xiàn)了艾里光束輻射[24](如圖2(c)所示)。其他一些研究人員也通過類似的方法實現(xiàn)了雙聚焦輻射等效應(yīng)[25-28]。

圖2 光柵耦合器實現(xiàn)表面波的遠場定向輻射。(a) “Bull’s eye”光柵實現(xiàn)異常透射光的定向輻射[19]；(b)表面光柵實現(xiàn)遠場聚焦[23]；(c)金屬狹縫光柵實現(xiàn)艾里光束輻射[24]Fig.2 Far-field directional radiation of surface wave by grating coupler.(a) Directional radiation of the extraordinary optical transmission light by the "Bull's eye" grating[19];(b) Far-field focusing of the surface wave via surface grating[23];(c) Airy-beam radiation via metal-slit grating[24]

正如前文所述，基于傳統(tǒng)光柵方法的表面波遠場輻射調(diào)控器件存在多階衍射模式、自由度受限等問題。2012 年，復(fù)旦大學(xué)周磊課題組開創(chuàng)性地提出了一種梯度超表面概念，利用漸變尺寸的亞波長H 型金屬人工單元所提供的共振型相位梯度，解決了自由空間光與本征表面波之間的波矢失配問題，實現(xiàn)了自由空間光到表面波的高效轉(zhuǎn)化[29]。受該工作的啟發(fā)，研究人員嘗試實現(xiàn)了傳輸波到表面波轉(zhuǎn)化的逆向過程，如圖3(a)所示，Xu 等人基于類似的結(jié)構(gòu)，為微波傳輸線波導(dǎo)中的人工等離激元模式提供逆向波矢補償，從而實現(xiàn)了局域近場模式到輻射傳輸波模式的轉(zhuǎn)化[30]，其輻射效率相對于傳統(tǒng)的漏波天線器件有了很大提高。之后，其他研究人員通過優(yōu)化超表面的人工單元參數(shù)，實現(xiàn)了10.4～24.5 GHz 寬波段范圍內(nèi)的高效表面波定向輻射[31]。如圖3(b)所示，Wang 等人巧妙地利用一個透射式超表面懸浮在表面波波導(dǎo)之上，減弱了反射式超表面結(jié)構(gòu)本身對表面波散射強度的巨大影響，從而能夠有效地抑制輻射旁瓣，在9～10.5 GHz 的范圍內(nèi)實現(xiàn)了高效的表面波定向遠場輻射[32]。在光頻段，Zhu 等人則通過“金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)”構(gòu)型的共振相位超表面驗證了表面等離激元的定向輻射概念[33]。

圖3 超表面實現(xiàn)表面波的定向遠場輻射。(a)微波人工表面等離激元模式的定向輻射[30]；(b)基于透射式超表面實現(xiàn)微波段的人工表面等離激元模式的定向輻射 [32]；(c)近紅外頻段介質(zhì)波導(dǎo)模式的定向輻射[34]Fig.3 Far-field directional radiation of surface wave by metasurface.(a) Directional radiation of microwave spoof surface plasmon mode[30];(b) Directional radiation of microwave spoof surface plasmon mode based on a transmissive metasurface[32];(c) Directional radiation of near infrared dielectric waveguide mode [34]

當(dāng)然，類似的概念也可以拓展至介質(zhì)波導(dǎo)體系，由于介質(zhì)波導(dǎo)中的表面波模式相對于金屬中的等離激元模式傳播損耗更小，因此這種體系在表面波的遠場輻射調(diào)控中具有天然優(yōu)勢。最近，Guo 等人提出了可以在介質(zhì)波導(dǎo)上加工共振相位超表面來實現(xiàn)波導(dǎo)模式向空間輻射[34]。如圖3(c)所示，他們也設(shè)計了一個MIM 構(gòu)型的人工單元，這種結(jié)構(gòu)上下層金屬的存在使得他們所支持的共振模式與波導(dǎo) TE00模式更容易產(chǎn)生耦合作用，從而提高了單元的遠場輻射效率，利用這種結(jié)構(gòu)他們實現(xiàn)了近紅外波段的輻射光場聚焦等波前操控。

3.2 表面波的復(fù)雜輻射波前調(diào)控

一維光柵或者一維梯度相位超表面只能實現(xiàn)表面波到傳輸波的定向輻射、線聚焦等簡單的波前操控，這顯然無法滿足光子芯片對多功能復(fù)雜遠場波前調(diào)控的巨大需求。早期人們多是基于全息成像原理[35]，通過計算得到的近場表面波與目標遠場在片上干涉形成光場的相位和振幅分布來設(shè)計全息光柵[36-40]，因此當(dāng)表面波照射到這種光柵上時，就能夠被輻射到遠場，并重構(gòu)出目標場分布。Dolev 等人就利用如圖4(a)所示的全息光柵，實現(xiàn)了表面等離激元到遠場艾里光斑和渦旋光束的輻射[41]。需要注意的是，這些工作仍然是基于衍射原理實現(xiàn)對表面波輻射光場的調(diào)控，因此存在多階衍射等問題，遠場波前調(diào)控的自由度和空間分辨率往往也會受到限制。

圖4 表面波的復(fù)雜遠場波前調(diào)控。(a)全息光柵實現(xiàn)表面等離激元激勵下的艾里光束和渦旋光束激發(fā)[41]；(b)共振相位超表面實現(xiàn)介質(zhì)波導(dǎo)模式的遠場全息成像[42]；(c)幾何相位超表面實現(xiàn)表面等離激元的復(fù)雜遠場波前調(diào)控[18]；(d)串聯(lián)型幾何相位超表面實現(xiàn)鈮酸鋰波導(dǎo)模式的多功能遠場全息[43]Fig.4 Complex far-field wavefront manipulations of surface wave.(a) Holographic grating for Airy beam and vortex beam generation excited by surface plasmon[41];(b) Resonant phase metasurface for far-field holography of the dielectric waveguide mode[42];(c) Geometric phase metasurface for complex far-field wavefront control of surface plasmon[18];(d) Multifunctional far-field holography of lithium niobate waveguide mode by a series of geometric phase metasurfaces[43]

最近，人們提出了利用超表面實現(xiàn)復(fù)雜遠場波前調(diào)控的新思路。由于二維超表面是由亞波長人工單元結(jié)構(gòu)排列組合而成，因此通過精準調(diào)控局域位置處人工單元的幾何參數(shù)，就使得超表面具備了在亞波長尺度下精確調(diào)控表面波輻射場性質(zhì)的能力。如圖4(b)所示，Ding 等人將MIM 構(gòu)型的單元結(jié)構(gòu)在一個介質(zhì)寬波導(dǎo)上組成二維周期性陣列，設(shè)計單元結(jié)構(gòu)的尺寸，引入二維非均勻共振相位分布，從而把局域波導(dǎo)模式解耦合到自由空間傳輸波模式，并實現(xiàn)了遠場聚焦、全息成像等功能[42]。值得注意的是，由于表面波在二維體系傳輸過程中是被逐漸解耦合到自由空間的，因此表面波的強度會越來越弱，所以不同位置處的人工單元結(jié)構(gòu)感受到的入射場強度也會逐漸下降，這就在不同程度上影響了輻射場強的均勻性等性質(zhì)。其中，對于利用共振相位原理設(shè)計構(gòu)造的超表面來說，由于阻抗變化較大導(dǎo)致表面波解耦合速度往往很快，因此可以用于構(gòu)建輻射場的超表面的有效空間區(qū)域非常有限，這極大限制了構(gòu)建復(fù)雜光場的能力；另外共振相位對于波長是非常敏感的，因此其工作頻率帶寬一般較窄。

本團隊提出了一種基于幾何相位超表面來調(diào)控表面波遠場輻射的方法[18]。如圖4(c)所示，通過精心設(shè)計亞波長超表面單元旋轉(zhuǎn)角從而設(shè)計幾何相位梯度，可以實現(xiàn)近場表面波到遠場傳輸波的任意輻射波前調(diào)控，并且其輻射場為特定圓偏振態(tài)，其手性可以通過調(diào)控的單元的旋轉(zhuǎn)順序來自由控制；特別是，通過調(diào)控單元的偏振轉(zhuǎn)化效率 (polarization conversion ration,PCR)，可以對表面波輻射強度進行大范圍調(diào)控，從而獲得對輻射振幅和相位的協(xié)同調(diào)控能力，實現(xiàn)表面波的定向遠場輻射、遠場聚焦、渦旋光激發(fā)以及全息成像等效應(yīng)。另外，F(xiàn)ang 等人提出利用硅柱作為基本單元加工在鈮酸鋰波導(dǎo)上，通過控制單元旋轉(zhuǎn)角引入二維幾何相位梯度分布，實現(xiàn)了波導(dǎo)模式到自由空間光模式的輻射，并展示了全息成像等波前調(diào)控功能(如圖4(d)所示)[43]。由于這種幾何相位單元結(jié)構(gòu)是被制備在波導(dǎo)表面上，而波導(dǎo)模式的光場主要局域在體系內(nèi)部，因而兩者之間相互作用微弱，波導(dǎo)模式的輻射場強度普遍較弱，但是輻射場的強度也較為均勻；從另一角度來看，波導(dǎo)中的光場能量可以傳播到更遠的距離，在一個波導(dǎo)上能夠串聯(lián)多個超表面，實現(xiàn)多種獨立的遠場輻射功能。另外，Xi 等人驗證了這種幾何相位超表面在太赫茲頻段對波導(dǎo)模式輻射調(diào)控的效果，并實現(xiàn)了一維與二維的艾里光束生成[44]。與共振型相位不同，幾何相位只與單元結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角相關(guān)[45]，不僅具有不隨頻率變化的魯棒性，保證了體系的寬頻響應(yīng)能力，而且通過調(diào)控超表面單元的PCR，控制局域位置處輻射場的強度，從而獲得更為強大的輻射光場調(diào)控能力。

3.3 表面波的多功能復(fù)用輻射光場調(diào)控

片上光子芯片能夠同時實現(xiàn)多種光場調(diào)控功能，更好地滿足集成光學(xué)應(yīng)用的需求。我們知道，對于以遠場光作為激勵源的超構(gòu)器件來說，其相位響應(yīng)往往與入射光的偏振、波長、入射角等諸多因素相關(guān)，利用多重自由度可以實現(xiàn)多功能復(fù)用的光場調(diào)控[46-50]，類似思想同樣也可以拓展至以表面波為激發(fā)源的片上光學(xué)器件。

最近，Zhou 等人提出可以利用路徑復(fù)用自由度調(diào)控介質(zhì)波導(dǎo)體系遠場輻射，實現(xiàn)了從波導(dǎo)模式到遠場渦旋光的多功能激發(fā)[51]。如圖5(a)所示，將復(fù)合光柵加工在兩路正交傳輸波導(dǎo)的交界位置，由于波導(dǎo)模式的輻射只對其傳輸方向上的光柵周期敏感，所以可以對兩路沿相互垂直方向傳輸?shù)牟▽?dǎo)模式設(shè)計一種二維復(fù)合全息光柵，分別調(diào)控不同方向傳輸?shù)牟▽?dǎo)模式，從而輻射出兩種不同的渦旋光束。當(dāng)然，這種光柵對于兩個相反方向入射的表面波來說功能是鎖定的。為此，Ha 等人則提出利用單元的迂回相位結(jié)合粒子群優(yōu)化的方法來設(shè)計超表面實現(xiàn)四功能的輻射全息成像，打破了功能鎖定這一限制[52-53]。具體來說，他們需要讓超表面單元陣列在+X,-X兩個相反方向入射的波導(dǎo)模式激發(fā)下產(chǎn)生兩套獨立的目標相位分布，雖然這兩種情況下，每個單元產(chǎn)生的迂回相位具有綁定的關(guān)系(總和為 2π)，但是利用粒子群算法可以優(yōu)化每個單元的迂回相位來使得它們在誤差范圍內(nèi)與兩套獨立的目標相位近似吻合，從而實現(xiàn)相反方向入射波導(dǎo)模式功能的近似解鎖。通過在X與Y兩個正交方向采用類似的調(diào)控思想，就可以基于入射方向控制來激發(fā)四種不同遠場聚焦或全息成像。此后，Yang 等人通過在迂回相位調(diào)控的基礎(chǔ)上引入幾何相位，從而打破對稱方向入射的波導(dǎo)模式的相位綁定，實現(xiàn)了四個片上通道的獨立輻射光場控制[54]。這種路徑多通道的復(fù)用的方法也可以用于不同波長的光，從而實現(xiàn)多波長全息控制[55-56]。如圖5(b)所示，Shi 等人就通過獨立控制單元的迂回相位和幾何相位，引入兩個正交方向片上激發(fā)和一個遠場入射激發(fā)共三種激勵條件，實現(xiàn)了三功能復(fù)用全息成像[57]。此外，還有研究人員提出可以通過改變環(huán)境折射率來實現(xiàn)輻射波前的動態(tài)控制[58]；或者通過在一個單元內(nèi)引入雙原子，實現(xiàn)了近場圖像與遠場圖像的獨立雙通道調(diào)控[59]。

圖5 表面波的多功能復(fù)用遠場輻射調(diào)控。(a)基于二維復(fù)合光柵的路徑復(fù)用雙功能遠場輻射調(diào)控[51]；(b)基于復(fù)合相位調(diào)控的多功能遠場全息[57]Fig.5 Multifunctional far-field manipulation of surface wave.(a) Optical path multiplexing dual-functional far-field radiation by two-dimensional composite grating[51];(b) Multifunctional far-field holography based on composite phase modulation[57]

4 表面波的多參量輻射光場調(diào)控

前面章節(jié)介紹的工作，往往是關(guān)注表面波的遠場輻射波前調(diào)控信息，采用的自由度主要是輻射場的相位分布，有時還會引入對輻射振幅的調(diào)控，往往忽略了光場的偏振特性。最近，人們進一步實現(xiàn)了對表面波的遠場輻射振幅、相位、偏振等的全參量調(diào)控，提升了對輻射光場操控的自由度和能力，這對高分辨率成像[60-61]、光學(xué)通訊[62]、光信息存儲[63]等應(yīng)用來說具有重要意義。

研究人員提出利用干涉效應(yīng)可以來調(diào)控表面波的輻射場偏振狀態(tài)。我們知道，任意偏振光都可以看成兩個正交偏振光(例如正交線偏振光或圓偏振光)的疊加，它們的振幅與相位差共同決定了總光場的偏振態(tài)。如圖6(a)所示，Li 等人采用類似的思想，提出利用兩路傳播方向垂直的近場光干涉疊加的方法來產(chǎn)生具有特定偏振態(tài)的輻射光場[64]。具體來說，將兩個沿垂直方向傳播的表面等離激元模式的面內(nèi)場分量看成兩個正交的面內(nèi)線偏振基模，在干涉區(qū)域不同位置處兩個正交模式積累的傳播相位不同，因此所合成出的近場光偏振態(tài)具有空間位置依賴特性。然后，通過精心設(shè)計的納米孔洞陣列將表面等離激元解耦合到遠場并進行匯聚，聚焦光場就可以具有預(yù)設(shè)的偏振狀態(tài)。當(dāng)然，這一工作仍然是利用納米孔洞陣列的布拉格衍射效應(yīng)來實現(xiàn)表面波的遠場輻射，每個孔洞的局域輻射振幅難以進行有效控制，特別是缺少了對輻射相位進行調(diào)控這一重要自由度。如圖6(b)所示，最近Ji 等人通過在鈮酸鋰介質(zhì)波導(dǎo)上加工幾何相位介質(zhì)超表面，可以在X和Y兩個垂直方向的波導(dǎo)模式的入射下分別產(chǎn)生兩個自旋偏振與渦旋軌道角動量均相反的矢量渦旋光模式。他們進一步把這兩個模式作為基模，通過改變X與Y方向輸入的信號光的強度和相位來調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的兩個矢量渦旋光基模的振幅和相位，從而實現(xiàn)了高階龐加萊球上任意一種矢量渦旋光模式的激發(fā)[65]。

圖6 表面波遠場矢量光場輻射調(diào)控。(a)偏振態(tài)可調(diào)的輻射遠場聚焦[64];(b)任意矢量渦旋光束激發(fā)[65]；(c)輻射光場的偏振態(tài)調(diào)控[66]；(d)全參量可調(diào)的矢量光場輻射[67]Fig.6 Far-field vectorial optical field manipulation of surface wave.(a) Far-field focusing of far-fields with controllable polarization state[64];(b) Arbitrary vectorial vortex beam generation[65];(c) Far-fields radiation with adjustable polarization [66];(d) Full-parameter controllable vectorial optical field radiation[67]

最近，人們還提出了一種基于雙人工微結(jié)構(gòu)進行干涉的方法來實現(xiàn)輻射光場的偏振態(tài)調(diào)控[66]。如圖6(c)所示，在波導(dǎo)模式的激勵下，兩個相鄰的人工微結(jié)構(gòu)分別能輻射出一個左旋和右旋圓偏振光模式，同時這兩個不同偏振模式的相位分別被兩個人工微結(jié)構(gòu)各自的幾何相位獨立決定，因而輻射光的偏振態(tài)可以通過改變兩者的幾何相位差進行調(diào)控。另外，Huang 等人設(shè)計了一種對稱性打破的光子晶體平板，通過控制結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、空間轉(zhuǎn)角等自由度，實現(xiàn)了對局域位置的輻射光場振幅、相位以及偏振態(tài)的全參量調(diào)控，實驗驗證了特定偏振全息成像及矢量聚焦光場等效應(yīng)[67](如圖6(d)所示)。最近，Xu 等人也利用類似原理在微波段設(shè)計了一種漏波天線，可以對表面波輻射場全參量進行調(diào)控，實現(xiàn)了偏振獨立可調(diào)的多波束輻射效應(yīng)[68]。

5 總結(jié)與展望

本文回顧了近年來近場表面波到遠場傳輸波的輻射調(diào)控研究進展，首先簡要闡述了遠場輻射調(diào)控的基本原理和實現(xiàn)方法，隨后回顧了基于衍射光柵以及梯度超表面實現(xiàn)表面波的定向輻射效應(yīng)、遠場聚焦、渦旋光場、全息圖像等靈活多樣的波前調(diào)控效應(yīng)。另外，基于表面波的多通道復(fù)用遠場輻射調(diào)控以及全參量調(diào)控(包括相位、振幅、偏振等自由度)輻射遠場調(diào)控也在本文中進行了簡單總結(jié)。這些研究工作極大提高了人們對于近場表面波輻射操控的能力，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

展望未來，這一領(lǐng)域存在以下一些待解決的問題和可拓展的方向。首先，表面波在二維體系傳輸過程中不可避免會存在吸收損耗，這在不同程度上將影響表面波輻射遠場的構(gòu)建，尤其是對基于金屬基的表面等離激元體系而言，這一問題更加嚴重。最近，人們也提出了超表面調(diào)控介質(zhì)基波導(dǎo)體系中波導(dǎo)模式的近場傳輸及遠場輻射的方法，其歐姆損耗效應(yīng)得到了極大的抑制；然而，波導(dǎo)體系中引入的人工微結(jié)構(gòu)單元的輻射效率相對較低，這些問題會影響調(diào)控器件的工作效果，需要在未來工作中進行改進。另外，以往的超表面體系的遠場輻射調(diào)控功能較為固定，這是因為所采用的人工微結(jié)構(gòu)單元通常是不可調(diào)控的，這也是被動式超表面體系所面臨的共性問題。為此，人們通過引入一些新的調(diào)控自由度，包括電壓、溫度、光場等物理場來實現(xiàn)超表面對遠場傳輸波的動態(tài)電磁調(diào)控功能，接下來將這些自由度拓展引入到近場表面波的輻射遠場波前動態(tài)調(diào)控中，將具有重要的研究意義和應(yīng)用價值。此外，目前所實現(xiàn)的遠場輻射調(diào)控還處在簡單的功能驗證階段，接下來可以考慮將這種遠場輻射調(diào)控理論拓展至實際工程應(yīng)用中，包括漏波天線、激光雷達、微納激光、虛擬/增強現(xiàn)實(VR/AR)等領(lǐng)域，實現(xiàn)從前沿物理概念到真實應(yīng)用場景的跨越。最后，本文所回顧的工作主要是基于超表面實現(xiàn)表面波到遠場的輻射，相關(guān)概念具有極大的廣義性和拓展性，還可以基于超表面表面波調(diào)控實現(xiàn)更加豐富的調(diào)控效應(yīng)，包括特殊光束激發(fā)、超分辨光刻、面內(nèi)傳輸控制等[69-72]，這對操控片上光與物質(zhì)相互作用等相關(guān)科學(xué)及應(yīng)用具有重要意義，也是未來的研究重點方向。