物理所基于人工超表面結(jié)構(gòu)的高效寬帶異常折射和偏振分束研究獲進(jìn)展

  人工微結(jié)構(gòu)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(shí)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(jiǎn)單操控透射光的方向。不僅如此，通過對(duì)材料微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以獲得任意的相位分布。與那些需要依靠相位積累來實(shí)現(xiàn)塑造波前的傳統(tǒng)光學(xué)器件相比，這種梯度漸變超表面將具有更加豐富的光學(xué)性質(zhì)，并在光束偏轉(zhuǎn)、超分辨成像、平面透鏡、全息成像等領(lǐng)域表現(xiàn)出了極大的研究價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

　　在光學(xué)結(jié)構(gòu)和器件的研究領(lǐng)域，對(duì)光強(qiáng)度的調(diào)控能力（即光反射或者折射的效率）是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。然而對(duì)于超表面結(jié)構(gòu)來說，依賴結(jié)構(gòu)單元的散射實(shí)現(xiàn)的異常斯涅耳定律效應(yīng)，其反射和折射效率都遠(yuǎn)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(fù)雜的設(shè)計(jì)可以改善這一問題，比如在結(jié)構(gòu)單元之間增加光柵結(jié)構(gòu)以提高效率或者利用多層金屬/介質(zhì)結(jié)構(gòu)以提高光控制能力，但是這樣的設(shè)計(jì)增加了制備工藝的復(fù)雜程度，并且使其對(duì)幾何尺寸誤差的容忍度降低。利用超表面實(shí)現(xiàn)對(duì)圓偏振電磁波的透射波和反射波的相位和振幅的調(diào)控是超表面應(yīng)用的基礎(chǔ)，但是基于目前方法產(chǎn)生的異常偏轉(zhuǎn)波束的效率很低，而且工作波段非常窄，這是超表面在應(yīng)用方面所面臨的重要問題。

　　最近中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）微加工實(shí)驗(yàn)室在人工超表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、加工及光學(xué)特性調(diào)控等方面取得一系列進(jìn)展，研究結(jié)果發(fā)表在Light：Science & Applications (2015, 4, e308) 和Advanced Functional Materials（2015, 25, 704）。在此基礎(chǔ)上，該實(shí)驗(yàn)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(xué)物理科學(xué)學(xué)院教授田建國和副教授陳樹琪等合作，利用納米天線對(duì)于入射光波偏振態(tài)調(diào)制的特性，證明了調(diào)制效率與納米天線物理特性的關(guān)系，設(shè)計(jì)和提出了多棒納米天線超表面結(jié)構(gòu)，并利用納米加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了樣品的制備。研究結(jié)果表明多棒納米天線超表面結(jié)構(gòu)具有的等離子激元雜化和耦合，使得該超表面結(jié)構(gòu)在調(diào)制效率和調(diào)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(shí)，由于該超表面具有改變圓偏振光偏振特性，因此該結(jié)構(gòu)器件能夠廣泛應(yīng)用于偏振檢測(cè)、偏振分束、相干調(diào)制等納米光學(xué)以及光子學(xué)領(lǐng)域。相關(guān)研究結(jié)果作為Inside back cover發(fā)表在Advanced Functional Materials 2015, 25, 5428-5434上。

　　該系列項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金“納米制造基礎(chǔ)研究”重大研究計(jì)劃重點(diǎn)及集成項(xiàng)目、面上基金和中國科學(xué)院的支持。

    圖1 (a) 多棒納米天線超表面結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 不同多棒納米天線超表面結(jié)構(gòu)的異常折射光譜，隨著納米棒個(gè)數(shù)增加，光響應(yīng)發(fā)生非常大的展寬并且藍(lán)移。

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

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