基于光学人工微结构的光场调控研究

从光学人工微结构光场调控研究的研究现状出发,详细介绍了光学人工微结构在光场调控研究中的设计思路、研究流程和实验方法,着重展示了课题组在本领域近年来的研究进展,力图以此引导研究型实验教学,同时为相关领域研究人员提供借鉴.     

基于亚波长人工微结构的电磁波减反增透研究进展

电磁波抗反射技术在太阳能电池、光学透镜、红外传感、探测器等众多应用场景中至关重要,长久以来一直是先进光学系统、光电器件研究领域热点方向之一.本文简略回顾了传统的减反的理论与方法;侧重介绍了近几年来基于亚波长人工微结构材料的电磁波减反增透相关研究进展,主要内容包括局域表面等离激元抑制光反射增强光耦合,传播表面等离激元局域共振模式诱导高透隧穿,超构材料诱导金属透明,人工微结构超表面红外、太赫兹减反等若干典型工作;探讨了亚波长人工微结构光学减反领域未来的发展方向与其所可能遇到的问题挑战.     

平带光子微结构中的新颖现象:从模式局域到实空间拓扑

近年来,凝聚态物理中平带局域与拓扑等概念与光学体系的有机结合,使得平带光子学系统的研究迎来了极为快速的发展,催生了一系列新颖的光物理现象与潜在的应用前景.目前,平带结构在光子晶体、光学超构材料以及光子晶格(倏逝波耦合的光学波导阵列)等多种人工光子微结构中得到了实现,并在其中观察到了很多凝聚态系统中难以直接实现的物理现象.本文简要综述光子微结构中关于平带物理的最新研究进展.以光诱导和激光直写光子晶格系统为例,包括Lieb, Kagome和超级蜂窝晶格等,特别介绍平带模式局域与实空间拓扑效应等新颖物理现象.光子微结构为研究平带物理和拓扑效应提供了一个可调控的平台,同时其研究结果也对探究电子、声子、等离激元、腔极化子与超冷原子等系统中相关的基本物理问题和应用具有借鉴作用.     

浅说人工微结构材料与光和声的调控研究

在过去的三十年里,人们在对光的调控方面进行着不懈的努力,取得了卓有成效的研究进展,其中突出的进展表现在诸如光子晶体的发展、等离激元学与亚波长光学的发展以及超构材料的发展等,文章简要探讨了当前超构材料和人工带隙材料等研究的几种发展趋势,展示了利用人工微结构材料实现对光和声的调控的美好前景.     

原子层厚度超表面光场调控原理及应用

超表面由亚波长尺度二维人工微结构构成,可以实现对光场振幅、相位、偏振等多参量进行调控,为光场调控提供了优良平台。二维材料作为一种新型层状结构材料,相对于三维体材料有着十分独特的光学和电学特性,其与超表面结合为纳米尺度平面光学器件的发展提供了新的可能。本文综述了基于原子层厚度的二维材料超表面发展,介绍了多种二维材料超表面光场调控机制、制备以及应用,最后对原子层厚度超表面发展面临的挑战和潜在应用进行展望。     

赝局域有效介质理论

有效介质理论在利用人工微结构材料拓展光学参数方面具有重要意义.本文对电介质光子晶体等具有非局域性质的人工微结构材料发展了一种新的赝局域有效介质理论,通过局域的有效介电常数■(ω)、局域的有效磁导率■(ω)、以及额外的波矢ka来描述其光学性质.研究发现,该赝局域有效介质兼具局域和非局域介质的性质,在与ka垂直的晶面上表现出局域介质的光学性质,而在与ka平行的晶面则表现出非局域介质的光学性质,如负折射、全反射等.进一步研究表明,对于所有入射角的光波在穿过拥有奇数层结构单元的赝局域有效介质时,都会出现额外的π相位差,基于此设计了一种全角度相位光栅.相对于传统的光学材料,赝局域介质具有更加丰富有趣的光学性质,有望在未来应用到更多的新型光学器件设计之中.     

人工光学微纳结构中的连续体束缚态:原理、发展及应用

人工微结构可以捕获特定频率的电磁波,其为增强光与物质相互作用以及调控光场的重要平台之一。连续体束缚态在能谱上位于辐射连续区域,其是开放波动系统中与辐射连续态完全正交的本征态。连续体束缚态源于波动的相干相消,可以极大地抑制微纳光子器件的辐射损耗,为解决人工微纳结构中的光束缚提供全新思路。本文回顾连续体束缚态的发展历程,着重阐述连续体束缚态的理论模型在不同人工光学微纳结构中的进展与应用。连续体束缚态有望促进光通信、集成光学及高效率光场调控等领域的发展。     

微米超晶格的概念、效应和应用

通过固体微结构的调制，使晶体材料的物性常数得到调制，若调制波长为微米数量级，可与光波、超声波波长比拟，将会出现一系列新颖的非线性光学、光学、声学效应，并在光电子学和声电子学中得到应用。我们将这类人工微结构材料称之为微米超晶格或光学超晶格和声学超晶格，“微米超晶格”概念是“聚片多畴”概念的发展。本将评述本实验室在冯端教授指导下在关于微米超晶格理论与实验方面所完成的系统的工作。     

光学元件表面微结构的局域场分布特性研究

在强激光系统中光学元件表面的微结构会引起局域场强增强,进而会影响元件抗激光损伤能力。采用时域有限差分方法对波长量级的表面微结构进行了电磁场分布的数值模拟,一方面为损伤模型的建立奠定了基础,另一方面也为光学元件的设计制作提供了理论指导。     

光学超构材料芯片上类比引力的研究进展

光学超构材料是一种人工设计的微结构材料,它的出现打破了传统材料设计思维的局域性,为在微纳尺度上人为调控电磁波提供了新的范式,实现了具有超越自然界常规材料的光学性质.尤其是超构材料具有将光和电磁辐射耦合到亚波长尺度的能力,满足了高速发展的现代科学技术对光学元器件的高性能、微型化以及集成化的新要求.因此,基于超构材料的光子芯片带来很多令人鼓舞的应用,如突破衍射极限的完美成像、多功能的集成光学器件等.更有意思的是,超构材料光子芯片还可以用来模拟一些广义相对论的现象,尤其是探索一些尚未被实验证实的与引力相关的现象.本文从不同类型的超构材料芯片出发,简要介绍了在光学超构材料芯片上开展的类比引力的研究,最后对其发展现状、优势与面临的挑战进行了相应的总结与展望.     

南京大学物理学院诚聘海内外优秀人才

正南京大学物理学科是我国高等院校中创立最早的物理学科之一,多年来,追求卓越,名家辈出,为我国物理学发展做出了重要贡献。物理学院目前设有四个系:物理学系、光电科学系、现代物理学系、声科学与工程系,覆盖了理论物理、凝聚态物理、声学三个全国二级重点学科。物理学院和南京大学固体微结构物理国家重点实验室是南京大学教学、科研优势资源最为集中的平台之一。由南京大学牵头新成立的"人工微结构科学与技术"2011协同创新中心以及正在筹建的南京微结构国家实验室已经成为国家重大科学研究计划"量子调控"的研究基地。南京大学物理学院现面向海内外真诚招聘优秀人才加盟。一、招聘领域涉及理论物理、凝聚态物理、光学、声学、粒子物理与     

基于超表面的量子态制备与操控研究进展

单光子和多光子量子态的制备与操控对量子信息技术的发展和应用至关重要。在实现量子器件小型化和集成化的基础上对量子态进行有效制备和操控是目前量子信息技术研究领域的前沿问题。作为一种平面光学人工微结构阵列,超表面能够在亚波长尺度上实现对光场振幅、相位和偏振态等多个维度的有效控制,为微纳光学器件的设计提供了一种全新方式。近期研究表明,高效率超表面是实现小型化和集成化量子器件的理想平台。总结了近年来可见光和近红外波段高效率超表面的设计原理及其应用方向,并在此基础上对超表面在提高单光子发射器性能方面和在多光子纠缠态制备与操控方面的重要工作进行了总结。     

闪烁体与光子人工微结构

在核医学成像、高能物理实验和核武器研究的推动下,人们对辐射探测系统中的闪烁体提出了越来越高的要求。把传统闪烁体与先进微纳光子学技术相结合,利用光子人工微结构对电磁波的调控作用,为实现闪烁体更高的性能提供新方法和新途径。文章介绍了近期国内外利用光子人工微结构提高闪烁体性能的研究进展,也对一些可能采用的方法进行了展望与分析,该研究目前处于起步阶段,然而初步研究结果已经显示出了诱人的发展前景。     

“超构表面2.0”专刊序

正伴随着人工智能、5G通讯以及高端芯片等信息技术的飞速发展,大容量大带宽的光学信息传输、处理和存储技术成为必然趋势。对高性能和高集成度的光学信息技术以及轻量化、微型化和集成化的纳米光学器件的迫切需求,驱动研究人员不断开发微纳尺度下的光场调控技术。然而,自然材料远远不能满足人们对微纳尺度下光场灵活多样的调控需求。尽管超构材料(Metamaterials)展现出超越自然材料的物理特性及强大的光波调控能力,基于三维亚波长人工微结构的超构材料存在损耗高、加工难、不易集成等问题,这制约了其发展及实用。     

溅射条件对ZnS薄膜的光学常量和微结构的影响

为了研究制备条件对射频溅射ZnS薄膜光学常量和微结构的影响,在浮法玻璃上制备了不同溅射气压、溅射功率和溅射温度的ZnS薄膜,利用紫外可见近红外分光光度计在300～2 500 nm的波长范围内测量了薄膜的透射和反射光谱,并通过光谱拟和计算出ZnS薄膜的光学常量以及禁带宽度.通过X射线衍射分析了薄膜的微结构随溅射温度的改变.研究结果表明,随着制备条件的不同,ZnS薄膜的光学常量和微结构会发生变化.     

基于遗传算法优化光栅辐射特性

光栅是一种应用非常广泛的光学元件。通过优化结构尺寸的方法可以获得同样材料光栅的不同辐射特性。本文以一维微结构金属电介质光栅为例,以8~12μm作为目标波段,通过严格耦合波分析与遗传算法相结合的方法对单组金属电介质光栅和双组金属电介质光栅的结构尺寸和光学常数进行双重优化,找到了硅作为电介质材料时的最优结构尺寸和该结构尺寸下电介质材料的最优光学常数。通过该方法,可以用来调控所有目标波段下的辐射特性,为进一步提高一维微结构光栅辐射特性提供了新的途径。     

浅谈微结构物理

本文简要介绍八十年代新兴的人工微结构领域．从最基本的几种微结构的构成与制作谈起，展望了微结构在电子工业方面的应用前景，并论及微结构在物理学基础研究方面的深远意义。     

斜入射时一定温度范围内微结构高度误差对衍射效率的影响

工作环境温度的改变会降低衍射光学元件的衍射效率,影响混合光学系统的成像质量。基于斜入射时衍射效率的表达式,在双层衍射光学元件的设计中考虑温度变化,提出了工作在一定温度范围内和入射角度范围内的双层衍射光学元件微结构高度误差与衍射效率和带宽积分平均衍射效率的数学模型。以工作在可见光波段的双层衍射光学元件为例进行分析。结果表明,当环境温度确定后,随入射角度范围的增大,最高带宽积分平均衍射效率对应的最优相对微结构高度误差逐渐减小。当双层衍射光学元件工作在0°～15°的入射角度范围内、环境温度范围为-40～80℃时,其带宽积分平均衍射效率最高为96.81%,对应的最优相对微结构高度误差为4.42%。该方法进一步完善了双层衍射光学元件加工误差的设计理论。     

侧入式导光板的激光微加工技术的验证研究（英文）

从设计、仿真与加工入手研究液晶背光模组中侧入式导光板的激光微加工技术.通过光学软件构建导光板的光学结构并采用蒙特卡洛光线追迹方法进行模拟仿真,结果表明具有渐变密度分布的微结构能够提供高均匀性的光输出.基于仿真结果,运用激光微加工技术进行验证设计.激光微加工获得的微结构在100倍光学显微镜放大测量下尺寸约为30.14μm,接近于设计值30μm,同时对单个微结构的3D表面形貌特征进行分析.十组采用激光微加工技术与丝网印刷技术加工的导光板分别安装至侧入式背光模组样机中进行对比.对比结果显示,激光微加工的导光板相比于传统的丝网印刷技术具有更好的光学均匀性和更低的色差,均匀性提高了6.2%,而色差下降了0.002 7.激光微加工技术快而简单,且整个加工过程是完全环保的,具备高性能、自动化生产和易于薄型化的优点.     

紫外光固化有机-无机纳米复合材料成型衍射光学元件制造技术

针对衍射光学元件制造中材料选择的局限以及遮挡效应,采用了紫外光固化有机-无机纳米复合材料快速成型技术制造衍射光学元件,获得高折射率、高色散的衍射光学元件。通过有机-无机纳米复合材料制备实验获得了一种适合制造衍射光学元件的复合材料配方,配方各成分包括质量分数为57.97%的2官脂肪族聚氨酯丙烯酸酯(2PUA)、质量分数为38.64%的季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)、质量分数为1.45%的光引发剂184(Irgacure 184)、质量分数为1.93%的分散剂163(disperbyk 163)和质量分数可控的纳米粒子ITO。使用该方法制备了紫外光固化衍射光学元件,并使用台阶仪测量得到衍射光学元件模芯表面的平均微结构高度为13.26μm,光固化衍射光学元件表面的平均微结构高度为12.58μm,使用光固化衍射光学元件与模芯微结构的相对误差为5.141%。紫外光固化有机-无机纳米复合材料的衍射光学元件制造技术突破了材料选择局限,减小了遮挡误差,对宽波段的折衍射混合光学系统的快速成型具有重要意义。