一种近远场集成平面光学调控器件及其设计和制备方法

摘要

本发明公开了一种近远场集成平面光学调控器件及其设计和制备方法。该器件在等离激元平面光学元件中首次实现通过入射光自旋对近场表面等离激元和远场空间光的传播同时进行调控，达到近场表面等离激元波单向传播，而远场空间光形成聚焦。通过优化设计，该器件在近场或远场的调控效果可以媲美传统的单一的近场或远场调控器件，在目前光学器件小型化、多功能化以及高密度化的趋势下，该近场和远场光学调控集成器件具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种平面光学调控器件，特别涉及一种基于超构表面材料的光场操控器件，可以同时在近场和远场实现近场表面等离激元的单向传播和远场光的线聚焦，并能通过改变入射光自旋对光场的传播进行调控。

背景技术

在纳米光子学领域，光场操控集成器件是一个重要的发展方向，而要实现多功能的光场操控集成，两个重要要求是实现光学处理器件尺寸的小型化和高密度集成。近年来发展起来的基于表面等离激元和超构表面材料的等离激元平面光学器件作为一种新型的光学信号处理和光场操控器件，具有尺寸小，功能多样的优点。然而传统的等离激元平面光学器件只能分别实现近场或者远场光场的操控，实现一种平面器件能同时操控近场和远场信号对于提高光学集成度具有重要意义，因此成为一个亟待解决的问题。

超构表面材料(Metasurface)是超构材料(Metamaterial)的二维版本。近年来，超构表面材料作为一种新型而灵活的电磁波操控材料，吸引了越来越多的研究者的目光。超构材料是一种由波长级别或亚波长级别的微结构构成的人工三维体材料，由于其构成单元在波长级别，往往能对光波或电磁波产生自然界中材料无法实现的一些特殊效果，比如负折射率、光学滤波、光学隐身等等。正因为这些新颖的性质的存在，使得超构材料在电子工程、传统光学、集成光学、材料科学以及纳米科学等多个领域都得到了广泛的关注和研究。然而，由于超构材料是三维结构，要求加工出在三维空间排列的亚波长结构，这在加工工艺上提出了极高的要求，特别是在可见光波段，要加工出纳米级别的三维周期性结构极其困难，因而难以推广到实际应用。作为超构材料的二维替代品，超构表面由于是在平面上加工出亚波长结构，加工难度大大降低，目前诸如电子束曝光、聚焦离子束刻蚀等技术都能以极高的精度加工出可见光波段的亚波长结构，因而极大地促进了超构表面的研究。目前，电磁超构表面材料已经实现了反常反射、负折射、光场偏振控制、超透镜、全息成像以及近场等离激元单向传播和聚焦等多种新颖物理效应。

表面等离激元是一种束缚于金属和介质界面的表面电磁波，在近场范畴其具有亚波长束缚性和电磁场增强效应，一般按其传播性可分为传播模式的表面等离极化激元和非传播模式的局域表面等离激元。对于传播模式的表面等离极化激元，由于它是一种在金属介质界面传播的表面波，因此可以使用超构表面材料对其传播进行控制。目前已经有许多基于表面等离激元的超构表面器件被实现，例如高效率的表面等离激元发射器、反射器以及多路信号分离器，这些器件对于未来表面等离激元集成器件的开发具有关键作用。另一方面，由于金属微结构能对入射光进行局域的散射，从而通过合理设计，由金属微结构构成的超构表面能对自由空间的远场光进行操控，从而实现诸如涡旋光束生成器和超透镜之类的集成光子学关键器件。

基于金属薄膜的超构表面材料既具有操控近场表面等离激元的能力，也具有对远场的空间光进行控制的能力，并且由于表面等离激元的高束缚性和场增强作用，这些优点对于开发高集成度和多功能的光学集成器件具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于表面等离激元超构表面的近远场集成平面光学调控器件，实现在近场和远场对表面等离激元单向传播和空间光聚焦的同时操控。

本发明使用改进的等离激元超构表面设计方法，通过几何相位的原理将近场表面等离激元单向传播和远场空间光聚焦所需的相位分布方程联立分析得到所需的超构表面结构，将近场和远场光波操控集成到一个超构表面器件上，从而可以用一个超构表面同时实现近场表面等离激元和远场空间光的传播特性的控制，并且能够通过改变入射光的圆偏振旋性对其传播进行调控。这种近远场集成器件在未来的表面等离激元和光子学器件的集成中具有广阔的应用前景。

本发明的技术方案如下：

一种近远场集成平面光学调控器件，包括透明衬底、金属薄膜和纳米孔阵列构成的超构表面结构，其中，所述金属薄膜位于透明衬底之上，纳米孔阵列位于金属薄膜之中，入射光从透明衬底一侧入射，构成透射式的光路形式；其特征在于，在一种旋性的入射光下所述纳米孔阵列构成的超构表面结构同时满足在近场激发出单向传播的表面等离激元和在远场实现聚焦，并且通过入射光自旋对近场的金属表面等离激元和远场的空间光场进行同时调控。

在本发明的自旋调控的近场和远场集成平面光学调控器件中，超构表面结构为在金属薄膜中刻蚀出的纳米孔阵列，通过几何相位的原理将近场表面等离激元单向传播和远场空间光聚焦所需的相位分布联立分析，预先设计出所需的超构表面结构，使得在一种旋性的入射光下该结构同时满足在近场激发出单向传播的表面等离激元和在远场实现聚焦。当入射光自旋发生变化时，相应的近场表面等离激元传播方向和远场空间光的聚焦情况也会发生变化，从而实现通过入射光自旋对近场和远场的光场传播进行调控。所述纳米孔阵列的设计方法如下：

如图2所示，在近场，由处于位置x_i的纳米孔激发的表面等离激元向左右两边(±x方向)传播，其场强满足方程：

其中，E_z(x)表示坐标x处的表面等离激元场强，i表示纳米孔在x方向上的序号，x_i表示第i个纳米孔在x方向上的位置；k_spp为表面等离激元的波矢量；θ表示纳米孔长边与x正方向的夹角，正号(+)和负号(-)分别对应向右和向左传播的表面等离激元；σ表示入射光的自旋态，左旋圆偏振光(LCP)对应σ＝-1，右旋圆偏振光(RCP)对应σ＝+1。其中σθ表示自旋为σ的圆偏振光入射纳米孔后激发的表面等离激元的几何相位，该相位与纳米孔旋转角度相关。

当入射左旋圆偏振光(LCP，σ＝-1)所激发的表面等离激元都在如图2右侧相干增强时，其满足方程(2)：

-k_sppx_i-θ＝const.(2)

其中const.表示常数。

在远场，当入射左旋圆偏振光(LCP，σ＝-1)所激发的远场散射光在金属薄膜一侧聚焦，即远场表现为正极性透镜时，满足方程(3)：

其中k表示自由空间的光波矢量，f为聚焦的焦距，const.表示常数。

将方程(2)和(3)联立，按照如下设计步骤可得到实现对近场和远场同时进行调控的表面等离激元超构表面结构(即纳米孔阵列)：

(1)选定入射光波长λ和远场焦距f，由和其中ε_d为远场所处介质(一般是空气)的介电常数，ε_m是传播表面等离激元的金属层的介电常数，例如当为复合金属层Ti/Au时，取Au的介电常数，这些常数均可查询相关数据手册得到。则方程(2)、(3)中参数k_spp，k和f均可确定；

(2)进一步方程(2)和(3)中的const.取一系列等间隔的常数，θ限制在0-180度，在θ-x坐标图中画出对应方程，将得到一系列直线(图2(c)中虚线)和曲线(图2(c)中实线)，相交处(即图2(c)中五角星)的坐标(x,θ)即为符合要求的纳米孔位置和旋转角度。由此即得到图2(a)中虚线框所示的一行纳米孔的排列参数(即位置和旋转角度)。一行中纳米孔的数目可进一步通过时域有限差分法(FDTD)数值计算得到优化值。

(3)将由步骤(2)得到的一行纳米孔在如图2(a)y方向按合适间隔进行平移复制即可得到多行的超构表面结构(即纳米孔阵列)，可进一步通过FDTD数值计算得到行数的优化值。其中，纳米孔行与行之间的间隔优选为入射波长的二分之一左右，可进一步通过FDTD数值计算得到该平移间隔的优化值。

由上述设计原理可知，当入射光由左旋圆偏振光(LCP，σ＝-1)变成右旋圆偏振光(RCP，σ＝+1)，对于按上述方法设计的近场和远场平面光学调控器件，在近场将激发出向左传播的表面等离激元，而在远场则会形成虚聚焦，即此时远场表现为一个负极性透镜。

上述近远场集成平面光学调控器件的结构和原理说明所用示意图图2中的纳米孔均用矩形纳米孔进行代表，本领域技术人员应该理解，由于本器件中相位控制是通过几何相位的原理实现，所述的纳米孔阵列中的纳米孔并不局限为矩形，还可以为不具备高度旋转对称性的其他形状，例如可以是矩形、V字形、U字形等，但不能为正方形和圆形，优选为矩形纳米孔。在本发明的最佳实例中，所设计的纳米孔为矩形，如图4所示，其优化的长为250nm，宽为80nm，矩形纳米孔深度为所用金属薄膜的厚度，即125nm。

上述近远场集成平面光学调控器件中，所述的金属薄膜所使用的金属可以是金(Au)、银(Ag)、铝(Al)等表面等离激元损耗较低的金属材料，厚度优选为100-130nm。所述的金属薄膜也可以是多种金属的复合薄膜，如Ti/Au，Cr/Au等。所述的透明衬底可以是SiO₂、Al₂O₃、TiO₂等材料。在本发明的最佳实例中，所述的金属薄膜所用材料为Ti/Au，Ti厚度为5nm，Au厚度为120nm，Au薄膜位于Ti薄膜之上。所用的述透明衬底采用石英玻璃(SiO₂)。

本发明所提出的基于表面等离激元超构表面的近远场集成平面光学调控器件是首个在等离激元平面光学元件中实现通过入射光自旋对近场表面等离激元和远场空间光的传播同时进行调控的平面光学器件，达到近场表面等离激元波单向传播，而远场空间光形成聚焦。并且通过优化设计，该种器件在近场或远场的调控效果可以媲美传统的单一的近场或远场调控器件。在目前光学器件和光学集成器件小型化、多功能化以及高密度化的趋势下，我们提出的近场和远场光学调控集成器件具有广阔的应用前景。

本发明还提供了一种基于表面等离激元超构表面的近远场集成平面光学调控器件的制备方法，包括以下步骤：

1)获得透明衬底，并对衬底表面进行清洗；

2)在透明衬底上镀上金属薄膜层；

3)在扫描电子显微镜(SEM)下观察镀膜质量，并寻找表面没有过多杂质的区域备用；

4)在金属薄膜上刻蚀出预先设计好的纳米孔阵列，其中纳米孔阵列可通过上述设计步骤得到；

5)在扫描电子显微镜(SEM)下进行观察，确定加工效果满足要求；

6)将制备出的器件置于测试光路中，通过改变入射光旋性实现近场和远场光的同时调控。

上述步骤2)可以使用电子束蒸发镀膜的方法，依次镀上Ti和Au，得到具有Ti/Au双层结构的金属薄膜。

上述步骤4)可以使用聚焦离子束刻蚀的方法，按照设计好的阵列图案，通过调整离子束的束流强度和刻蚀时间可得到满足设计要求的纳米孔阵列。

上述步骤4)中纳米孔阵列的生成可以使用编程语言，如matlab，根据上述的设计步骤，将满足近场和远场联立方程组的纳米孔位置坐标和旋转角度求出，并将阵列图案保存为图片以用于进行本步骤的刻蚀。

根据本发明所述的基于表面等离激元超构表面的近远场集成平面光学调控器件，近场表面等离激元在金属薄膜表面传播，金属表面的洁净度对其传播十分重要，在表面等离激元传播区域存在的任何杂质都将对表面等离激元产生散射，从而导致单向传播效率下降。

进一步的，根据发明所述的基于表面等离激元超构表面的近远场集成平面光学调控器件，透射式结构要求金属薄膜的厚度足够大，减少直接透射的光对远场聚焦效果的影响，若金属薄膜太薄，则可能聚焦光斑的信号被湮没在直接透射的背景信号之中。

与现有设计方法相比，本发明的有益效果是：

本平面光学调控器件利用到了金属薄膜上的近场传播模式的表面等离激元和经过纳米孔散射形成的远场空间光，将两者集成到同一器件上，大大增加了集成平面光学器件功能的丰富性，并将近场的表面等离激元与远场的空间光联系在一起。

本发明所用方法不同于传统的单一近场或者远场调控器件，能够将传统调控器件所忽略的远场或近场能量都利用起来，提高了器件的能量利用率，这对于提高集成光学器件的效率具有重要意义。

本发明所述的近远场集成平面光学调控器件可以通过改变入射光的旋性进行调控，当入射光的旋性改变时，入射到该平面光学器件上的光所激发的单向传播的近场表面等离激元会改变传播方向(反方向传播)，同时远场空间光的聚焦特性会发生改变(例如之前是正极性聚焦，改变入射光旋性后将变成负极性聚焦)。这种可调控性对于诸如光学开关、光学波导以及多路复用光学集成器件等等应用都具有极大的参考价值。

本发明所用设计方法的核心在于将近场表面单向传播相位分布与远场空间光聚焦相位分布联合进行分析设计，因此在同一器件中可以同时实现近场和远场的相干增强，这一点优于传统的两套或多套超构表面结构相互嵌套的设计方法。并且由本发明所述方法设计的近场和远场调控功能互不影响，因此对于开发新型的集成多功能光学器件具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例1所述近远场集成平面光学调控器件的结构及效果示意图。

图2为本发明实施例1所述近远场集成平面光学调控器件的原理示意图。

图3为本发明实施例1所述近远场集成平面光学调控器件中纳米孔的结构示意图。

图4为本发明实施例1制备的基于表面等离激元超构表面的近远场集成平面光学调控器件的扫描电子显微镜图像。

图5为本发明实施例1制备的基于表面等离激元超构表面的近远场集成平面光学调控器件的近场表面等离激元单向传播的实验测量结果，其中(a)为表面等离激元正向右(+x)传播，(b)为表面等离激元正向左(-x)传播。

图6为本发明实施例1制备的基于表面等离激元超构表面的近远场集成平面光学调控器件的近场表面等离激元单向传播的强度分布曲线，其中(a)和(b)分别对应图5中(a)和(b)的虚线位置。

图7为本发明实施例1制备的基于表面等离激元超构表面的近远场集成平面光学调控器件远场线聚焦纵截面(xz面)光强分布的测量结果，其中(a)入射光为左旋圆偏振光(LCP)，(b)入射光为右旋圆偏振光(RCP)。

图8为本发明实施例1制备的基于表面等离激元超构表面的近远场集成平面光学调控器件远场线聚焦横截面(xy面)光强分布的测量结果，其中(a)和(b)分别对应图7中(a)和(b)的虚线位置。

图中各附图标记的含义如下：

1：透明衬底，2：Ti/Au金属薄膜，3：纳米孔阵列(超构表面结构)，w：矩形纳米孔宽度，L：矩形纳米孔长度，h：矩形纳米孔高度(等于金属薄膜2的厚度)，f：远场聚焦焦距，r：矩形纳米孔离焦点的距离，θ：矩形纳米孔与+x方向的夹角，LCP：左旋圆偏振光，RCP：右旋圆偏振光，Eq.(2)：方程(2)，Eq.(3)：方程(3)。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施方式对本发明作进一步详细描述，以使本领域技术人员能够更加清楚地理解本发明。

下面以基于Ti/Au金属薄膜和矩形纳米孔超构表面结构的近远场集成平面光学调控器件为例进行说明。这种平面光学调控器件能实现在一种自旋的入射光激发下能同时在近场产生单向传播的表面等离激元，在远场产生对应极性(正/负极性)的线聚焦，而在另一种自旋的入射光激发下，能同时在近场产生反向传播的表面等离激元，在远场产生相反极性(负/正极性)的线聚焦。其结构和效果如图1所示，该基于表面等离激元超构表面材料的自旋调控近远场集成平面光学调控器件是一种平面型结构，参见图1、图2和图3，其构成包括SiO₂透明衬底1，Ti/Au金属薄膜2和矩形纳米孔阵列(即超构表面结构)3。其中，Ti/Au金属薄膜2位于SiO₂透明衬底1之上，矩形纳米孔阵列3位于Ti/Au金属薄膜2中。所述的矩形纳米孔阵列3通过聚焦离子束刻蚀技术加工到Ti/Au金属薄膜中，入射光为一种旋性的圆偏振光，并通过SiO₂透明衬底1一侧入射到该平面光学调控器件上。

所述近远场集成平面光学调控器件的设计方法和工作原理如下：

如图2所示，在近场，由处于位置x_i的纳米孔激发的表面等离激元向左右两边(±x方向)传播，其场强满足方程：

其中E_z(x)表示坐标x处的表面等离激元场强，i表示纳米孔在x方向上的序号，k_spp为表面等离激元的波矢量，θ表示矩形纳米孔长边与x正方向的夹角，正号(+)和负号(-)分别对应向右和向左传播的表面等离激元，σ表示入射光的自旋态，左旋圆偏振光(LCP)对应σ＝-1，右旋圆偏振光对应σ＝+1。其中σθ表示自旋为σ的圆偏振光入射纳米孔后激发的表面等离激元的几何相位，该相位与纳米孔旋转角度相关。

当入射左旋圆偏振光(LCP，σ＝-1)所激发的表面等离激元都在如图2右侧相干增强时，其满足方程：

-k_sppx_i-θ＝const.(2)

其中const.表示常数。

在远场，当入射左旋圆偏振光(LCP，σ＝-1)所激发的远场散射光在金属薄膜一侧聚焦，即远场表现为正极性透镜时，满足方程：

其中k表示自由空间的光波矢量，f为聚焦的焦距，const.表示常数。

将方程(2)、(3)联立，即可得到同时满足近场等离激元单向传播和远场空间光聚焦所需要的矩形纳米孔的分布，即可实现对近场和远场同时进行调控的表面等离激元超构表面结构。

在上述的基于Ti/Au金属薄膜和矩形纳米孔阵列的自旋调控的近远场集成平面光学调控器件中，所选取的相关参数为：入射光波长671nm，远场聚焦的焦距f＝20μm。根据和查询到波长671nm的介电常数，计算出对应的k，k_spp。将k，k_spp和f代入方程(2)和方程(3)；

利用matlab将方程(2)和方程(3)图像如图2(c)所示绘出，提取出交点的坐标(即纳米孔位置和旋转角度)，并进一步利用FDTD方法对一行中纳米孔的数目进行优化，在实施例1中x方向优化的数目为15。

进一步将得到的一行纳米孔在y方向按照一定的周期进行平移复制，从而得到图2(a)所示的纳米孔阵列，在实施例1中y方向优化的平移周期为400nm，y方向优化数目为51。

最后通过matlab得到整个矩形纳米孔阵列的排列方式(即阵列中每个纳米孔的位置坐标和旋转角度)，进一步可以将其输出为图片，以供加工制备所用。

进一步的，金属薄膜2是通过电子束蒸发镀膜工艺蒸镀在透明衬底1上的。

进一步的，纳米孔阵列(超构表面结构)是通过聚焦离子束刻蚀(FIB)的方法将设计和优化好的纳米孔阵列图案刻蚀到金属薄膜2上的。

进一步的，纳米孔阵列图案是通过上述设计方法，将近场单向传播和远场聚焦满足的方程联立求解得到的，并通过matlab等编程方法生成刻蚀所需的纳米孔阵列图案。

进一步的，根据设计出的纳米孔阵列，用时域有限差分法(FDTD)对设计出的超构表面结构进行数值模拟计算，并优化纳米孔的几何参数，得到纳米孔阵列3的优化结果，达到在所设计的波长下近场和远场激发的优化。

进一步的，近场表面等离激元在金属薄膜表面传播，金属表面的洁净度对其传播十分重要，在表面等离激元传播区域存在的任何杂质都将对表面等离激元产生散射，从而导致单向传播效率下降，因此需要在镀膜前对透明衬底1进行清洗，并在加工和测量过中避免灰尘、颗粒物等的污染。

进一步的，透射式结构要求金属薄膜的厚度足够大，减少直接透射的光对远场聚焦效果的影响，若金属薄膜太薄，则可能聚焦光斑的信号被湮没在直接透射的背景信号之中。而若金属薄膜太厚，则会增加材料成本，同时增加刻蚀时间和难度。因此金属薄膜厚度应有一优化范围，对于常用的Au、Ag、Al等金属材料，薄膜厚度在100nm-130nm为优。

进一步的，以SiO₂作为透明衬底时，为增加金属薄膜2在透明衬底1上的粘附性，可以使用Ti作为粘附层，形成Ti/Au金属薄膜，其中Ti厚度在5nm-10nm，Au厚度在100nm-120nm。

进一步的，纳米孔阵列(超构表面结构)3中的纳米孔形状并不限制为矩形，可以为其他形状，但应不具备高度旋转对称性，例如：可以是矩形、V字形、U字形等，但不能为正方形、圆形等高旋转对称性的形状。

下面进一步给出所述基于Ti/Au金属薄膜和矩形纳米孔超构表面结构的近远场集成平面光学调控器件的制备方法，所述平面光学调控器件的制备包括以下步骤：

步骤一、获得SiO₂(石英玻璃)透明衬底，并对衬底进行有机溶剂超声清洗，按照丙酮(10-15min)→乙醇(10-20min)→去离子水(20-30min)的顺序进行超声清洗，最后用氮气枪将残留在衬底上的去离子水吹干，得到洁净的SiO₂透明衬底；

步骤二、在透明衬底上镀上金属薄膜层，利用电子束蒸发镀膜的方法在上一步骤得到的SiO₂透明衬底上依次镀上5nm-10nm的Ti和100nm-120nm的Au，得到具金属镀膜的基片。为了得到较好的成膜质量，电子束蒸发镀膜仪的真空度应抽到10^-8Torr，过快的镀膜速率会导致金属薄膜颗粒度太大，过慢则会导致镀膜时间太长，镀膜速率设置在0.5埃/秒效果较好；

步骤三、利用扫描电子显微镜(SEM)观察镀膜质量，确定金属薄膜符合进一步加工的要求，并寻找表面没有过多杂质的区域以备后面的步骤使用；

步骤四、利用聚焦离子束刻蚀(FIB)技术在步骤三所找出的金属薄膜洁净区域上刻蚀出设计好的矩形纳米孔阵列(超构表面结构)，其中矩形纳米孔阵列通过上述的本发明提出的设计方法得到。对于本发明实施例1，金属薄膜为Ti/Au，Ti厚度为5nm，Au厚度为120nm，设计的矩形纳米孔如图3所示，长度L＝250nm，宽度w＝80nm，高度h＝125nm(即金属薄膜的厚度)，加工所用离子束参数为：束流大小24皮安，刻蚀时长3分钟。由于仪器状态的变化，应先进行多次测试，得到合适的刻蚀参数后才能加工出效果最好的结构；

步骤五、在扫描电子显微镜(SEM)下进行观察，确定加工效果满足设计要求。

最后给出本发明制备的基于Ti/Au金属薄膜和矩形纳米孔超构表面结构的自旋调控的近远场集成平面光学调控器件的具体实施例。

实施例1

一种基于Ti/Au金属薄膜和矩形纳米孔超构表面结构的近远场集成平面光学调控器件的扫描电子显微镜图像(SEM)如图4所示，其结构如图1-3所示，其自下而上包括SiO₂透明衬底1、Ti/Au金属薄膜2和矩形纳米孔阵列(超构表面结构)3三个部分。其中SiO₂透明衬底1在最下方，Ti/Au金属薄膜2位于SiO₂透明衬底1之上，矩形纳米孔阵列(超构表面结构)3为利用聚焦离子束刻蚀(FIB)在Ti/Au金属薄膜2中加工而成。Ti/Au金属薄膜2的总厚度为125nm，其中Ti厚度为5nm，Au厚度为120nm，该金属薄膜是通过电子束蒸发镀膜的方法蒸镀在SiO₂透明衬底1之上的。如图4所示，矩形纳米孔阵列x方向数目为15，y方向数目为51，周期为400nm。矩形纳米孔的几何参数为长度L＝250nm，宽度w＝80nm，高度h＝125nm，该参数下的矩形纳米孔阵列通过时域有限差分法(FDTD)方法计算在近场和远场都能得到效果满意的结果。

利用上述的基于表面等离激元超构表面的近远场集成平面光学调控器件的设计方法和工作原理，如图2所示，本实施例1中所述的近远场集成平面光学调控器件按照以下参数与要求进行设计：入射光波长为671nm，远场聚焦的焦距f＝20μm，入射左旋圆偏振光(LCP，σ＝-1)时，近场表面等离激元向右(+x方向)传播，远场空间光在z＝20μm处形成实聚焦(正极性透镜)，而入射右旋圆偏振光(RCP，σ＝+1)时，近场表面等离激元向左(-x方向)传播，远场空间光在z＝-20μm处形成虚聚焦(负极性透镜)。矩形纳米孔的几何参数如上所述长250nm，宽80nm，高125nm。制备出的近远场集成平面光学调控器件电子显微图像如图4所示。

使用近场光学显微镜(SNOM)和远场成像探测系统对上述制备的近远场集成平面光学调控器件进行表征。如图5所示，对于近场单向传播的调控，当入射光为左旋圆偏振光(LCP)时，表面等离激元正如设计的向右(+x)传播(图5(a))；当入射光变为右旋圆偏振光(RCP)时，表面等离激元如设计的变为向左(-x)传播(图5(b))。由图6近场表面等离激元单向传播的强度分布曲线可以得到对于左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，表面等离激元单向传播的消光比分别为8和14，说明达到了对表面等离激元单向传播的有效调控。如图7和图8所示，对于远场空间光聚焦的调控，当入射光为左旋圆偏振光(LCP)时，图7和图8的(a)图分别为纵截面(xz面)和焦距处横截面(xy面)的光强分布图，该实验结果表明此时的确符合设计要求，在z＝20μm处形成了实聚焦，此时所述的近远场集成平面光学调控器件在远场表现为正极性透镜。当入射光为右旋圆偏振光(RCP)时，图7和图8的(b)图表明在z＝-20μm处形成了虚聚焦，此时所述的近远场集成平面光学调控器件在远场表现为负极性透镜。从近场和远场的实验表征可以表明，本发明所述的基于表面等离激元超构表面的近远场集成平面光学调控器件可以通过改变入射光自旋状态对近场表面等离激元的单向传播和远场空间光聚焦达到有效的调控。

本发明是首次基于表面等离激元超构表面材料在近场和远场同时实现自旋调控的平面光学调控器件。它是通过将近场表面单向传播相位分布与远场空间光聚焦相位分布相联合，从而分析设计出同时满足近场和远场调控功能的纳米孔超构表面结构。在同一器件中，可以同时实现近场和远场的相干增强，这一点优于传统的两套或多套超构表面结构的嵌套式设计方法，可以在实现两种功能集成的同时降低背景信号，达到更优的调控效果。并且由本发明所述方法设计的近场和远场调控功能互不影响，因此对于开发新型的集成多功能光学器件具有重要意义。本发明作为一种平面光学调控器件，不仅将近场的表面等离激元与远场的空间光联系在一起，而且使用二维的平面加工工艺能大大降低器件的制备难度，并具有与现有的半导体工业中的平面工艺相兼容的潜力，因此在诸如超透镜、集成光学开关、光学波导以及多路复用光学集成器件等等领域都具有极大的应用价值。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，本领域的技术人员应当理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。