Multifunctional metasurfaces featuring diversified functionalities offer unprecedented possibilities for developing versatile ultracompact micro/nanophotonic devices and systems. Until recently, most multifunctional metasurfaces were designed for light incidence with orthogonal linear polarizations, being unable to function with orthogonal circularly polarized (CP) light, which is of vital importance in spin photonics, chiroptical spectroscopy/imaging, and optical sensing. Here we consider the design of efficient spin-decoupled multifunctional gap-surface plasmon (GSP) gradient metasurfaces and experimentally demonstrate simultaneous spin-controlled unidirectional surface plasmon polariton (SPP) excitation and anomalous beam steering in the optical regime under orthogonal right and left CP light incidence, respectively. The spin-decoupled GSP gradient metasurface, consisting of rotated GSP-based nanoscale half-wave plates, combines both propagation and geometric phases to produce two different spin-dependent linear phase gradients enabling SPP excitation and anomalous reflection. The proof-of-concept fabricated metasurface exhibits broadband (850–950 nm) operation featuring efficient (>22%) unidirectional SPP excitation and high-efficiency (48% on average) anomalous beam steering for right and left CP incident light, respectively. Our demonstration of metasurface-enabled spin-controlled unidirectional SPP excitation along with free-propagating beam steering opens new possibilities for spin photonics and plasmonics with potential applications ranging from biomedical diagnosis, chiroptical spectroscopy, and imaging to optical sensing.

中文翻译：

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光学间隙表面等离激元超表面用于自旋控制的表面等离激元激发和反常束流转向

具有多种功能的多功能超表面为开发通用的超紧凑型微/纳米光子器件和系统提供了前所未有的可能性。直到最近，大多数多功能超表面被设计用于具有正交线性偏振的光入射，无法与正交圆偏振（CP）光一起起作用，而这在自旋光子学，按摩光谱学/成像和光学传感中至关重要。在这里，我们考虑了高效自旋解耦的多功能间隙表面等离激元（GSP）梯度超表面的设计，并通过实验证明了在正交CP和左右CP光的光学条件下，同时自旋控制的单向表面等离激元极化（SPP）激发和异常光束转向发生率分别。自旋解耦的GSP梯度超表面由旋转的基于GSP的纳米级半波片组成，结合了传播相位和几何相位，产生了两个不同的自旋相关线性相位梯度，从而实现了SPP激发和异常反射。概念验证的超颖表面展示了宽带（850–950 nm）操作，分别具有针对左右CP入射光的高效（> 22％）单向SPP激发和高效（平均48％）异常光束转向。我们对超表面使能的自旋控制单向SPP激发以及自由传播的光束转向的演示为自旋光子学和等离激元学提供了新的可能性，其潜在的应用范围包括生物医学诊断，按摩光谱学，成像和光学传感。由旋转的基于GSP的纳米级半波片组成，结合了传播相位和几何相位，产生了两个不同的自旋相关线性相位梯度，从而实现了SPP激发和异常反射。概念验证的超颖表面展示了宽带（850–950 nm）操作，分别具有针对左右CP入射光的高效（> 22％）单向SPP激发和高效（平均48％）异常光束转向。我们对超表面使能的自旋控制单向SPP激发以及自由传播的光束转向的演示为自旋光子学和等离激元学提供了新的可能性，其潜在的应用范围包括生物医学诊断，按摩光谱学，成像和光学传感。由旋转的基于GSP的纳米级半波片组成，结合了传播相位和几何相位，产生了两个不同的自旋相关线性相位梯度，从而实现了SPP激发和异常反射。概念验证的超颖表面展示了宽带（850–950 nm）操作，分别具有针对左右CP入射光的高效（> 22％）单向SPP激发和高效（平均48％）异常光束转向。我们对超表面使能的自旋控制单向SPP激发以及自由传播的光束转向的演示为自旋光子学和等离激元学提供了新的可能性，其潜在的应用范围包括生物医学诊断，按摩光谱学，成像和光学传感。结合了传播相位和几何相位，以产生两个不同的自旋相关线性相位梯度，从而实现了SPP激发和异常反射。概念验证的超颖表面展示了宽带（850–950 nm）操作，分别具有针对左右CP入射光的高效（> 22％）单向SPP激发和高效（平均48％）异常光束转向。我们对超表面使能的自旋控制单向SPP激发以及自由传播的光束转向的演示为自旋光子学和等离激元学提供了新的可能性，其潜在的应用范围包括生物医学诊断，按摩光谱学，成像和光学传感。结合了传播相位和几何相位，以产生两个不同的自旋相关线性相位梯度，从而实现了SPP激发和异常反射。概念验证的超颖表面展示了宽带（850–950 nm）操作，分别具有针对左右CP入射光的高效（> 22％）单向SPP激发和高效（平均48％）异常光束转向。我们对超表面使能的自旋控制单向SPP激发以及自由传播的光束转向的演示为自旋光子学和等离激元学提供了新的可能性，其潜在的应用范围包括生物医学诊断，按摩光谱学，成像和光学传感。