将自由空间的传输波转换为表面波（SPP），并实现表面波的聚焦对于片上集成光子学的应用，如能量捕获，光学传感，增强光与物质的相互作用等方面具有重要的研究意义。然而，当前的技术仍然存在器件体积大、难以集成、工作效率低以及光场调控自由度不足等问题，特别是器件工作效率低这一问题，极大地限制了该器件的实际应用价值。针对这一问题，复旦大学物理学系/应用表面物理国家重点实验室周磊教授和天津师范大学刘飞飞博士合作提出了一套普适性的SPP透镜设计方案，能够高效率地将传输波转变为预先设计好的聚焦涡旋表面波。该超构器件是由特定反射相位和偏振转换能力的共振型超构原子按照一定的“宏观序”排列而成。由于器件的相位和偏振均与表面波高度匹配，因此可以高效率地将垂直入射的圆偏振光（CP）转换为特定的矢量涡旋SPP，并将之聚焦为一个超越衍射极限的光波热点。与之前的方案相比，该SPP耦合器的工作效率得到了显著的提高。这一研究结果以“High-efficiency metasurface-based surface-plasmon lenses”为题发表在了期刊Laser & Photonics Reviews上（doi.org/10.1002/lpor.202201001）。复旦大学物理学系出站博士后刘飞飞为该论文的第一作者，周磊教授为通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划和上海市科委等经费的支持。

研究背景：

近年来，SPP的聚焦并携带一定的涡旋相位，即等离激元涡旋透镜，引起了学术界研究者极大的兴趣。这是因为SPP涡旋透镜不仅可以产生超分辨的聚焦光斑，同时聚焦的光斑还携带了一定的光学轨道角动量（OAM）。这使得等离激元涡旋透镜在片上集成光子领域展现出重要的应用价值，可被应用于纳米粒子的捕获、旋转、超分辨率成像以及数据存储等方面。为了实现这一等离激元透镜，一种典型的方法是在金属薄膜上雕刻各种纳米孔或纳米狭缝。这种器件的工作原理可描述为：纳米孔或纳米狭缝可被视为一系列局域的SPP耦合器，基于Pancharatnam-Berry（PB）的位相调控机制，这些纳米结构能够将自由空间的圆偏振入射光转变为相位分布由结构转角决定的表面波，而这些表面波间的近场干涉最终形成了具有特定波前的SPP模式（见图1（a））。然而不幸的是，尽管利用这种方法确实已经成功地实现了诸多不凡的SPP模式，包括矢量涡旋SPP，但是基于该方法实现的器件工作效率很低，并不利于实际的应用。

最近，基于超构表面的概念，研究者在太赫兹波段实验证明了各种等离激元的超构器件。这些超构器件是由对CP光具有特定反射相位的PB超构原子组成。将PB的相位调制机理与共振型的相结合，并对整个器件的相位轮廓进行编码，该超构器件就可以将传输波转换为表面波并同时实现对SPP波前的调控。与金属纳米孔的SPP透镜相比，这种超构器件通过特意的设计具有了更高的工作效率（见图1（b），此处，局域元胞被设计为一系列具有高偏振转换效率（PCR）的半波片）。然而不幸的是，到目前为止，基于该方案的SPP透镜尚未在光学频率下实现。此外，利用这种方案设计的SPP超透镜所产生的局域光场是圆偏振的，这与本征SPP所支持的TM偏振间是失配的。这种偏振的失配会使得SPP在传播过程中产生反射，这不可避免的就降低了该SPP透镜的耦合效率。

图1(a)和(b) 过往提出的等离激元透镜的工作原理及问题总结。参考文献：[1] Science 2013, 340: 331-334; [2] Opt. Express, 2017, 25: 32150-32160；[3] Adv. Sci. 2020, 7: 2000982-1-8。

研究亮点：

针对以上研究工作中的问题，该研究团队提出了一套普适性的SPP透镜设计方案，能够高效率地将传输波（PW）转变为预先设计好的聚焦涡旋表面波。该工作中所设计的超构表面是由特定反射相位和偏振转换能力的共振型超构原子按照一定的“宏观序”排列而成。通过仔细的调节元胞的局域偏振态以及宏观位相分布，使得器件的相位和偏振均与本征SPP匹配，超构等离激元透镜就可以高效率地将垂直入射的CP光转换为所需波前和偏振分布的SPP波（见图2）。

图2 该团队所设计的等离激元透镜的工作原理及亮点：该透镜同时解决了PW-SPP的波矢失配问题，以及局域元胞耦合器所产生的SPP与本征SPP间的偏振失配问题，因此能够高效的将PW转变为预先设计好的聚焦涡旋SPP。

在该工作中，首先在近红外波段（λ=1064 nm）设计了一系列具有特定光学性能的超元胞，并验证了由这些超元胞构成的条形SPP 耦合器的工作效率。实验结果表明：该条形耦合器所激发SPP的耦合效率和利用率（传输到特定方向的SPP与总SPP的能量之比）分别高达35%和98%。

图3 弧形等离激元透镜的性能表征结果。(a)和(b)：弧形等离激元透镜的设计方案示意图及对应的SEM照片；(c)和(d)：弧形等离激元透镜在LCP偏振光作用下所激发SPP近场强度分布的实验测试及数值模拟结果。

在以上验证实验的基础上，该团队分别制备了两个SPP透镜，一个是弧形的，另一个是圆形的，并实验验证了这两个透镜的性能。第一个透镜可以高效地将SPP 聚焦到单个点上，结果见图3。第二个透镜则是将光场局域到结构中心，形成了一个超越光学衍射极限的光波热点，并表现出明显的OAM特性，结果见图4（c）和（d）。同时，与之前的方案相比，该SPP耦合器的工作效率得到了显著的提高，其在结构中心处产生的聚焦热点的强度是基于纳米小孔和PB 超构表面等离激元透镜的50倍和5倍之多（见图4（f）所示）。此外，对环形透镜所激发SPP场的偏振测试结果也很好地证明了该透镜的径向矢量偏振特性（见图5）。

图4环形等离激元涡旋透镜的性能表征结果。(a)环形等离激元涡旋透镜的SEM照片；(b)和(c)：SPP透镜在LCP偏振光的作用下所激发SPP的位相及电场强度分布的数值模拟结果；(d) SPP透镜在LCP偏振光的作用下所激发SPP 强度分布的实验测试结果；(e) SPP透镜所激发近场的一维强度分布的对比结果(黑色实线：数值模拟结果; 蓝色点划线：实验测试结果;红色虚线：理论计算结果)；(f) 该环形SPP透镜与之前提出的基于纳米孔和PB超表面等离激元透镜所激发SPP强度分布的对比结果。

图5 环形SPP涡旋透镜在左旋圆偏振光作用下所激发的SPP场的偏振测试结果。

总结与展望：

在该工作中，团队提出了一套普适性的SPP透镜设计方案，能够高效率地将传输波转变为预先设计好的聚焦表面波。该超构透镜由一系列具有所需反射相位和偏振转换能力的共振型超构原子组成，通过合适的编码，可以有效地将CP光转换为具有所需波前和偏振分布的SPP波。在两次基于条形和弧形超构器件的基准实验测试之后，通过实验证明了拓扑电荷l=1的矢量涡旋SPP的产生，其强度远高于之前提出的SPP透镜的强度。所有实验结果均与FDTD模拟和理论计算结果一致，揭示了以上超构原子在提高SPP透镜工作效率方面所发挥的关键作用。该研究成果也为实现片上光学器件对表面等离激元特性的高效多功能操控提供了新途径。