物理所基于人工超表面結構的高效寬帶異常折射和偏振分束研究獲進展

  人工微結構超表面的提出，為人類操控光提供了新的自由度。這種超表面可以實現(xiàn)位置依賴的相位梯度分布，即使在入射光角度固定的前提下，僅改變材料表面的相位梯度值，也可以簡單操控透射光的方向。不僅如此，通過對材料微納結構的設計，可以獲得任意的相位分布。與那些需要依靠相位積累來實現(xiàn)塑造波前的傳統(tǒng)光學器件相比，這種梯度漸變超表面將具有更加豐富的光學性質，并在光束偏轉、超分辨成像、平面透鏡、全息成像等領域表現(xiàn)出了極大的研究價值和廣泛的應用前景。

　　在光學結構和器件的研究領域，對光強度的調控能力（即光反射或者折射的效率）是一個非常重要的指標。然而對于超表面結構來說，依賴結構單元的散射實現(xiàn)的異常斯涅耳定律效應，其反射和折射效率都遠低于在常規(guī)界面處發(fā)生的傳統(tǒng)反射和折射的效率。盡管通過一些復雜的設計可以改善這一問題，比如在結構單元之間增加光柵結構以提高效率或者利用多層金屬/介質結構以提高光控制能力，但是這樣的設計增加了制備工藝的復雜程度，并且使其對幾何尺寸誤差的容忍度降低。利用超表面實現(xiàn)對圓偏振電磁波的透射波和反射波的相位和振幅的調控是超表面應用的基礎，但是基于目前方法產(chǎn)生的異常偏轉波束的效率很低，而且工作波段非常窄，這是超表面在應用方面所面臨的重要問題。

　　最近中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）微加工實驗室在人工超表面結構的設計、加工及光學特性調控等方面取得一系列進展，研究結果發(fā)表在Light：Science & Applications (2015, 4, e308) 和Advanced Functional Materials（2015, 25, 704）。在此基礎上，該實驗室的工程師劉哲、唐成春以及研究員李俊杰、顧長志與南開大學物理科學學院教授田建國和副教授陳樹琪等合作，利用納米天線對于入射光波偏振態(tài)調制的特性，證明了調制效率與納米天線物理特性的關系，設計和提出了多棒納米天線超表面結構，并利用納米加工技術實現(xiàn)了樣品的制備。研究結果表明多棒納米天線超表面結構具有的等離子激元雜化和耦合，使得該超表面結構在調制效率和調制頻率范圍上得到了成倍的提升，更接近理論上的極限值，突破了可見光和近紅外波段超表面效率低所面臨的重大挑戰(zhàn)。同時，由于該超表面具有改變圓偏振光偏振特性，因此該結構器件能夠廣泛應用于偏振檢測、偏振分束、相干調制等納米光學以及光子學領域。相關研究結果作為Inside back cover發(fā)表在Advanced Functional Materials 2015, 25, 5428-5434上。

　　該系列項工作得到了國家自然科學基金“納米制造基礎研究”重大研究計劃重點及集成項目、面上基金和中國科學院的支持。

    圖1 (a) 多棒納米天線超表面結構示意圖；(b) 不同多棒納米天線超表面結構的異常折射光譜，隨著納米棒個數(shù)增加，光響應發(fā)生非常大的展寬并且藍移。

    圖2 (a)-(d) 從1個納米棒到4個納米棒超表面結構的SEM圖片；(e)四棒納米天線超表面結構的左旋和右旋圓偏振光的折射角度隨入射角度變化的關系；(f) 左旋和右旋圓偏振光的折射角度與波長的關系，表明此響應的寬譜特性。

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