利用反射等离激元超表面的模拟光计算

Nano Letter上2015年南丹麦大学的Anders Pors一篇文章《Analog Computing Using Reflective Plasmonic Metasurfaces》

先解释一下等离子体，表面等离激元

plasma:等离子体是非气液固的第四态，无固定形状，由自由电子和带电离子为主要成分的一种形态，似气似液，呈电中性。plasmon是等离激元，是量子化的等离子体震荡，

参考了等离子体和表面等离子体是什么关系？ - 知乎 (zhihu.com)

Surface plasmon中的surface 限定了金属和介质的界面。表面等离子体是一种电磁表面波，它在表面处场强最大，在垂直于界面方向上是指数衰减的。

这个是用反射式超表面的方法来实现的，超表面的组成就如上图所示，是一种阵列的形式，金纳米砖在一个亚波长厚的一个介电间隔物以及金膜上面，这种结构能够支持间隙表面等离子体共振。

实验验证了在800nm波长下工作高质量poor-man's 积分器。

超材料一般制造困难以及损耗很高，超表面可以作为一种规避超材料缺点的方法，是一种二维模拟。超表面的特征在于在转播方向上的亚波长厚度，而横向平面通常由具有亚波长周期性的金属散射体阵列组成。由于超表面界面不连续性，根据散射体的大小、形状和组成，可以使入射光的振幅和相位突然变化。但单层散射体只允许对交叉偏振光分量进行完全2pi的相位控制，这意味这这种超表面的理论效率最高是25%，而这篇文章采用反射的方法可以对可见光的效率达到80%，

反射光的全相位和幅度控制是通过激发在金属膜和纳米砖之间的间隙中传播的间隙表面等离子体 (GSP) 来实现的，因此由于纳米砖边界处的多次反射而经历类似法布里-珀罗的共振。

在基于光的紧凑模拟计算的重要主题中，执行数学运算的超表面必须表现出与位置相关的幅度和相位响应，能够独立控制光相位和幅度的超表面目前还没有（2015）

上图是实验的原理框架。

最底层边长是250nm，入射波长800nm，二氧化硅厚度30nm，最上层金砖的厚度30nm，如上图所示，当改变金砖的长度和宽度时，会使法向入射的x偏振平面波的GSP共振附近的反射幅度发生强烈变化。然后弄成一个阵列，通过对不同位置的反射系数的设定来实现积分或是微分。下图是实现微分和积分的对反射系数的调制，通过制造不同位置处的纳米砖的尺寸，来实现不同位置处的反射系数。虽然看图中得到的反射系数曲线很完美，但是要求加工误差精度为1nm。

实验装置如下图5a所示，是由一个波长为800nm的钛蓝宝石激光器组成，光束再适当扩展并通过物体传播后，通过50倍的物镜聚焦到超表面上，反射光由分束器（BS）并通过镜头L3成像到相机上，50倍物镜具有双重功能，即在作为FT透镜工作的同时将入射光汇聚到超表面的大小，

上图中的b时研究的相位掩膜的强度图像，它由厚度为750nm的PMMA矩形贴片组成，因此通过贴片传播的光与周围的光时异相的。c是在入射在超表面上的强度图像，对应于 a 中物体的傅立叶变换反射远场强度。d和e分别是微分器和积分器。

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