非线性光学超构表面：基础与应用

光学超构表面是一种由亚波长尺度的超构单元在面内排布而构成的准二维人工结构材料。研究人员可以通过选择超构单元的材料组成、几何形状对光的振幅、偏振、相位和频率等光场自由度进行灵活调控。聚焦于超构表面在非线性光场调控领域的原理与应用。首先,概述了非线性晶体到非线性超构表面的发展历程。然后,讨论了对称性和几何相位在非线性光学超构表面中的重要作用。最后,介绍了非线性光学超构表面在波前调控、量子信息处理和太赫兹波的产生与调控等领域中的应用。     

多维度大容量超表面全息及光场变换

超表面的设计与制造极大地推动了在片上紧凑光学系统中实现光场调控的应用。传统光学系统中的光学透镜、空间光调制器以及偏振光学元件虽具备光场调控的功能,但体积庞大、光场调控功能单一等因素限制了其应用。超表面为光场调控提供了新平台,有望解决传统光学元件和系统向微型化、集成化和多功能化发展的瓶颈。主要围绕超表面的多维度全息混合复用、二维/三维光场变换、矢量光场的产生与操控三方面进行介绍。最后,对超表面的未来发展趋势进行了展望。     

基于傅里叶分析的超表面多维光场调控

作为一种新型的二维人工微结构,超表面在亚波长尺度上对光场的调控具有灵活性与多元性,这使得多维度、全方位的光场调控成为可能,近年来引起了广泛关注。基于傅里叶理论对胞间弱耦合超表面的设计进行理论分析,并提出收敛性条件,以弥补超表面非连续相位设计中亚波长条件不充分的不足;进一步将超表面相位调控与光场中的偏振、振幅、频率等物理性质相结合,综述了超表面在多维光场调控中的发展与应用。超表面多维光场调控不仅增大了光场调控的自由度,还推动了集成化光学设备的发展。     

超表面透镜的像差分析和成像技术研究

传统光学透镜及光学系统基于光传播效应实现电磁波调控功能,其体积较大、不易集成.而超表面是由人工亚波长尺度单元构成的二维平面结构,由于其相对于传统透镜具有超薄的优势,并且可以实现对光场的任意调控,近年来在光学成像领域得到广泛研究和应用.本文阐述了超表面透镜的工作原理,分析了超表面成像透镜的单色像差和色像差成因以及对应的像...     

原子厚度的二维亚波长超透镜

超透镜（Metalens）是结合了超表面原理和超薄平板光学原理制作的一类自身尺度在亚波长范围内,能够对光波前进行重塑的新兴人工光学器件。二维范德华材料的出现为超透镜光学器件提供了丰富的材料选择以及功能调控方面的可能。以石墨烯、过渡族金属硫族化合物等为典型代表的二维材料归功于其层间相对较弱的范德华相互作用,可通过机械剥离、化学气相沉积等方法获得原子层厚度平整的单晶,天然满足超透镜材料厚度尺寸要求,其自身以及溶于溶剂形成的二维液晶材料均具有优异的电学、光学、机械、磁性等丰富的物理特性,且性能高度可调控,使得基于二维材料的超透镜除能满足传统透镜的特性功能外,还有望通过包括静电调控等方式得到具有可调控的新奇物理特性。因此,对基于二维材料的超透镜的发展现状进行总结,并结合其材料结构特性进行相关的展望对该行业的发展是十分迫切的。本综述主要围绕二维材料超透镜展开,概述了该类透镜的研究进展,包括二维层状材料以及二维液晶材料、二维材料超透镜的潜在应用前景,以及对二维超透镜这一新兴研究领域未来的发展方向进行了适当的总结与展望。     

可形变光学超构表面及其动态调控

经过近10年的发展,超构表面作为一种新型的二维人工微纳结构,在光场特性调控方面展现出了巨大的研究潜力.但要实现小型化、集成化的超构表面光电子器件,还需要进一步发展具备动态调控功能的光学超构表面.本文综述了近年来发展的可形变超构表面的研究进展,简要概述了以纳米剪纸技术为基础的可形变超构表面的设计和实现方法,并重点介绍了其...     

光学超构表面中的复合相位调控

超构表面是一种二维的超构材料,能在平面上实现对光波相位、振幅、偏振等参数的灵活调控.相位型超构表面可突破经典折反射定律,使得光场调控不再依赖于曲面光学元件,为实现光学系统的平面化、集成化和多功能化提供了有效途径.特别地,通过对传输相位和几何相位协同调控,能够有效解决传统超构表面存在的功能单一、带宽受限、可调谐性差等原理...     

非线性光学超构表面

非线性光学超构表面是一类由空间变化的超构功能基元组成的超薄非线性光学器件.通过合理选择超构功能基元的材料组成、空间对称性,人们可以在亚波长尺度上对超构表面上产生的非线性光波的偏振、相位、振幅等自由度进行多维度光场调控.文章介绍了在非线性光学超构表面上实现谐波、四波混频、太赫兹波辐射的设计与原理,并讨论了如何在非线性光学...     

动态可调谐超构表面在光场调控中的应用研究

超构表面可看成二维超构材料,能够在表面空间内控制光场分布。可调谐超构表面作为新的设计需求成为目前热门研究领域。利用动态可调谐的超构表面对光场的相位、偏振、强度等维度精准调控,以及调控光场与物质的相互作用研究是当前基础科学与多学科融合发展的前沿研究。系统介绍了动态可调谐超构表面在结构色、偏振转换、完美吸收、图像处理等光场多维度调控及应用方面取得的最新研究进展,总结了可调谐超构表面的研究前沿与应用前景。     

超透镜聚焦光环的产生及其在冷分子光学囚禁中的应用

超表面可以对入射光场的相位、偏振、幅度等自由度进行精确调控,为发展下一代基于量子态片上实验平台提供了一种新途径,具有重要的应用前景.本文提出了一种新型的超表面结构,即具有不同占空比的硅结构光栅单元构成的超透镜,在焦平面上可形成聚焦光环.研究了在焦平面上环形光场的强度分布和不同数值孔径超透镜的聚焦特性.采用这种超透镜聚焦光环来构建一个氟化镁(MgF)分子的光学存储环,计算了MgF分子在聚焦光场中所受的光学势和偶极力,对MgF分子束在存储环运动过程进行了Monte-Carlo模拟.研究结果表明,设计的超表面结构具有很好的聚焦特性,聚焦光环的光场强度比入射光增强了55.1倍;同时可以实现对MgF分子的装载并囚禁在表面存储环内.     

基于Pancharatnam-Berry相位超表面的二维光学边缘检测

提出并设计一种基于Pancharatnam-Berry (P-B)相位超表面的二维光学微分器,并实现对光学图像的二维光学边缘检测.在环形光栅相位的作用下,该P-B相位超表面可将光束的左右旋分量在径向进行分离,在滤除中间重叠部分的线偏振光后,保留下来的光学信息即为二维光学微分结果.同时,通过调节该二维光学微分器的光轴分布函数可对边缘信息分辨率进行灵活调控.研究结果表明,上述P-B相位超表面可用于光学图像的二维边缘信息提取,相比于一维光栅式超表面,该方法得到的边缘信息更加完整、清晰.可以预期,这种二维光学微分器在超快光学计算与光学图像处理等方面具有重要的潜在应用价值.     

基于电磁超表面的透镜成像技术研究进展

电磁超表面属于超材料的一种,是由许多亚波长纳米结构单元组成的二维功能性平面结构.根据惠更斯原理,超表面阵列可以任意调控光波的相位、振幅和偏振.与传统器件相比,基于这种超材料设计的光学功能器件最大的优势是其具有极薄的厚度.本文首先介绍了广义斯涅耳定律以及纳米单元结构调控相位的基本原理,重点归纳了电磁超表面在透镜成像技术方面的研究进展,包括等离子体超表面、全介质超表面以及金属/介质混合式超表面在成像方面的应用,最后指出了超表面在成像方面尚未解决的前沿问题以及与实际应用接轨的重要问题,希望能为以后的深入研究提供一定的参考和借鉴.     

基于新型钙钛矿材料的光场调控太赫兹超表面仿真研究

为实现高效太赫兹调控，迫切需要一种高效且成本低的材料。新型钙钛矿材料由于其优异的光电特性，加上钙钛矿制备工艺简单、可大批量生产等优点，非常适合作为太赫兹超材料的活性材料，通过外部激励改变活性材料的属性，可灵活调控太赫兹波。因此，选择新型钙钛矿材料外加光场调控太赫兹，分析在光场作用前(绝缘态)和在光场作用后(金属态)两种状态对单元结构太赫兹宽波段下幅值和相位的影响。设计出光场灵活调控的钙钛矿基1 bit太赫兹编码超表面结构，该结构由有机无机杂化钙钛CH₃NH₃PbI₃(MAPbI₃)、聚酰亚胺和铝构成。通过CST仿真结果显示，该超表面结构在光场的调控下能够实现宽谱(0.1、1、2、6 THz)太赫兹波的180°相位差变化，经过超表面编码结构的设计，同一编码序列实现远场波束的变换。研究结果表明，基于光场操控钙钛矿材料的编码超表面为实现灵活的太赫兹波调控提供了新的思路，在太赫兹通信、安检、生物医学成像等方面具有巨大的应用潜力。     

二维人工超材料的光学拓扑性质

以超表面为代表的二维人工超材料通过其亚波长单元增强光与物质的相互作用,进而操控光的振幅、相位、偏振、轨道角动量等物理量.目前,非平凡拓扑性质的二维人工超材料由于具有鲁棒的光单向传输等性质成为了光学领域的研究重点.拓扑相不仅成为了凝聚态物理领域一种描述物质的新的自由度,也成为描述人工超材料光学性质的一个新的参量.本文从拓...     

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。     

非线性光学超构表面

在线性光学范畴内,人们已经通过亚波长尺度的超薄超构表面成功实现了对光的众多新颖特性的调控功能.其主要理念是通过对具有亚波长尺度且空间方向变化的超构功能基元进行特定的排列,从而实现对光的偏振、相位和振幅的有效控制.近来,超构表面上的非线性光学特性也引起了大家的广泛关注.在本综述中,我们对非线性光学超构表面的设计、超构功能单元的材料和对称性选择、非线性手性光学、非线性贝里几何相位和非线性波前整形等内容进行了总结;最后对非线性光学超构表面在调控光与物质的相互作用中面临的挑战和前景进行了展望.     

可调谐电磁超表面研究进展

超表面是由亚波长尺度的人工原子组成的二维平面超材料，具有操纵电磁波属性的能力。超表面领域的快速发展催生了多种技术/功能器件，包括超表面全息术、矢量涡旋光技术、超透镜、偏振转换器等。主动性超表面是指可以通过电、磁、光照、热、应力等外部刺激对超表面的结构、性质和功能进行灵活调控的超表面。近年来，人们一直致力于研究基于多种调控技术的多功能可调谐超表面，从而实现动态调控电磁波的目的。本文归纳总结了基于多种调控方法的可调谐超表面的研究进展，主要包括基于液晶的可调谐超表面、基于相变材料的可调谐超表面和结构可重构型可调谐超表面，并讨论了不同类型可调谐超表面的优势、面临的挑战以及未来的发展方向。     

“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。     

叠层/转角二维原子晶体结构与极化激元的近场光学表征

极化激元是一种光与物质发生强相互作用形成的准粒子,可以极大地压缩光波长,提供一种突破衍射极限的光调制方式,为纳米光子学、非线性光学、量子光学等相关学科的发展提供了重要支持.范德瓦耳斯二维原子晶体是研究极化激元的理想平台,通过叠层、转角可以为极化激元的调控提供额外的自由度,从而展示出新颖的光学结构和极化激元特性.本文以近场光学为主要研究方法,对近几年出现的叠层及转角二维原子晶体的各种光学结构及极化激元进行综述.综述内容包括叠层石墨烯的畴结构、转角二维原子晶体的莫尔超晶格结构、转角二维拓扑极化激元、转角石墨烯手性等离激元等.最后,对叠层/转角二维原子晶体及其极化激元的未来发展进行展望.     

金属纳米颗粒与二维材料异质结构的界面调控和物理性质

二维材料具有原子级光滑表面、纳米级厚度和超高的比表面积,是研究金属纳米颗粒与二维材料的界面相互作用,实时、原位观察金属纳米颗粒的表面原子迁移、结构演化和聚合等热力学行为的重要载体.设计和构筑金属纳米颗粒与二维材料异质结构界面,在原子尺度分析和表征界面结构,揭示材料结构和性能之间的相互关系,对于理解其相互作用和优化器件性能具有重要价值.本文总结了近年来金属纳米颗粒在二维材料表面成核、生长、结构演化及其表征的最新进展,分析了金属纳米颗粒对二维材料晶体结构、电子态、能带结构的影响,探讨了可能的界面应变、界面反应,及其对电学和光学等性质的调控,讨论了金属纳米颗粒对基于二维材料的场效应管器件和光电器件的性能提升策略.为从原子、电子层次揭示微结构、界面原子构型等影响金属纳米颗粒-二维材料异质结性能的物理机制,为金属-二维材料异质结构的研制及其在电子器件、光电器件、能源器件等领域的应用奠定了基础.