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。     

编码超构表面实现双波束独立可重构

近年来,有源超构表面因其对电磁波的灵活、动态调控而备受关注.本文设计并分析了一种有源可编程超构表面单元,并探讨了其在双波束、多波束独立可重构方面的应用.理论分析了如何实现对称双波束、非对称双波束电磁波辐射以及多波束独立可重构,并对所设计的编码超构表面进行仿真分析和实验验证.全波仿真结果表明,超构表面具有较好的辐射性能,主瓣辐射方向与理论计算结果一致.作为实验验证,我们加工了样品并在标准微波暗室中进行了测试.实验测试与仿真分析结果吻合良好,均表明该超构表面在微波频率能够对双波束进行独立的动态调控,且波束方向性较好.因而,这种可编程超构表面有望进一步实现多通道信息传输,并在无线通信系统中具有良好的应用前景.     

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.     

超构光栅调控衍射光场的物理及应用

基于局域表面等离激元或电介质微纳结构米氏散射的超构光栅对衍射通道的直接调制为高效率、大角度光场调控提供了优良平台。对超构光栅调控衍射光场的物理机理及应用开发进行了概述。首先,从高衍射效率超构光栅的构建机理出发,分别介绍了反射式、透射式、对称型、非对称型及可重构超构光栅的典型实现方式;其次,介绍了通过结合高衍射效率超构光栅与位移编码型相位调制机制,实现任意大角度光波前高效调控的典型方法,概述了高数值孔径透镜、角度可调型多功能光器件、大角度全息超构光栅等方面的研究进展;然后,介绍了以超构光栅作为连接自由空间光与表面波的桥梁,自由空间光波前与表面光波前相互转化方面的集成光调控平台;最后给出了简要小结,并对超构光栅未来的发展趋势与应用前景进行了展望。     

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...     

介质超构表面的CMOS兼容制备工艺的进展

超构表面为纳米光子器件赋予了更高的自由度与灵活度，使实用的微纳米光子器件的实现成为可能。基于高折射率半导体材料的介质超构表面制备技术可以和半导体集成电路的制作工艺结合，有希望在攻克超构表面大面积和高通量制备技术难题上发挥重要的作用，因此对其光场调控性能和制备工艺的研究是该领域近年来的重要发展方向。本文从硅、氮化硅和二氧化钛等介质超构表面出发，介绍了超构表面高通量制造技术的发展。此外，介绍了基于大面积制造技术实现实际应用的基于纳米光子器件的光学器件，如显示、成像、光调控器件。     

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。     

可调谐超构透镜的发展现状

随着新兴光学设备对微型化、一体化、智能化光学变焦系统的需求与日俱增,大大促进了纳米光电子学的迅猛发展。超构透镜是由具有特殊电磁属性的人造元素按照一定的排列方式组成的具有透镜功能的二维平面结构,其最大优点就是:轻薄和易于集成。然而,集成在超构透镜上的微纳结构一旦制备完成,便难以再改变其形貌或者尺寸,因而无法对其聚焦性能进行实时调控,限制了其功能及应用范围的进一步扩展。近年来,科学家们探索了实现超构透镜聚焦性能实时调控的多种途径,其中最引人注目的是将智能材料与超构透镜相结合。本文首先回顾了可调谐超构透镜的最新进展,分别详细阐述和分析了它们的调节原理和器件性能。最后,归纳分析了当前阻碍可调谐超构透镜发展的主要问题,并进一步对未来可调谐超构透镜的发展趋势做出了展望。     

基于复合超构表面的宽带圆极化双功能器件设计

多功能器件的设计是推动新一代电磁系统发展的重要力量,而超构表面因其对电磁波的幅度、相位和极化等特性的灵活调控在多功能器件领域备受关注.传统的多功能超构表面是利用各向异性单元对相互正交的线极化波具有不同响应的特性,从而设计出适用于线极化的多功能器件.本文提出了一种缝隙加载的环I形复合超构表面单元,通过单元臂长和旋转角度的...     

基于相变超构表面的全息相位开关

将相变介质的有源调控属性与基于广义斯涅尔定律的相位型超表面相结合,实现了可重构的近红外全息超构器件.当集成的锗锑碲化合物(GST)相变介质处于非晶态时,各向异性的超构单元可实现宽带范围内(1.55～2.8 μm)交叉极化转化率为～80％的几何相位调控,进而实现近场全息相位生成以及远场全息成像,即器件处于"开"态.当GS...     

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...     

超构器件的设计、制造与成像应用

超构光学为平面光学器件的发展提供了新的思路与方向。超构器件由亚波长人工纳米结构组成，能在二维平面上实现对入射光的振幅、相位和偏振的操纵。研究人员已经发展了多种超构表面技术，将其用于满足各式各样的光学需求。本文首先回顾了超构器件的前沿研究与技术发展现状，介绍了超构器件的广义设计流程，并以连续宽带消色差超构透镜为例进行逐步说明，帮助读者理解；然后，展示了多种超构器件加工方法，包括直写刻蚀、图案转移刻蚀和混合图案刻蚀等，进一步讨论了超构器件在成像应用中的发展，包括偏振成像、光场成像、光学感测以及生物成像等；最后，进行了总结，并对超构器件未来的发展提出了见解与展望。     

超构表面高效调控电磁波

实现自由调控电磁波不仅具有重要的科学研究意义,而且是通讯、能源、国防等领域的迫切需求。为了解决自然材料调控电磁波能力受限的问题,人们提出了人工超构材料这一新概念,实现了负折射、光学隐身等奇异的电磁效应。然而,经过多年的发展,超构材料仍存在结构复杂、损耗偏高、难以集成调谐等挑战。最近,本团队与国际同行一起提出了超构表面的新概念。超构表面基于电磁波在平面微结构上散射时获得的界面相位突变,充分利用人工微结构的"排列序构"这一自由度,实现了对电磁波振幅、相位、偏振及波前分布的有效调控,克服了超构材料遇到的瓶颈问题。本文主要回顾了本团队在偏振调控、波前调控及动态调控等方面开展的创新性研究。     

浅谈超构表面在量子光学中的应用

近年来,利用超构表面对光场的调控研究取得了令人瞩目的进展,不仅在经典光的调控方面取得了优异的成果,在量子光学方面的研究和应用也开始崭露头角,引起人们越来越多的研究兴趣.文章简要讨论了基于超构表面的量子光学的研究进展,包括量子光源的制备、量子态的调控以及量子态的探测和成像等方面.     

基于导波驱动相变材料超构表面的基波及二次谐波聚焦

利用超构表面优异的波前调控能力将片上光子集成电路对光场的操控拓展至自由空间是当前一项重要课题.本文采用传输相位方法设计了一种基于波导模式激发的内嵌式超构表面,其相位分布同时满足导模的基频以及二倍频的聚焦.在此基础上,将内嵌式材料限定为相变材料,结合其在不同相态时的折射率差异,通过仿真手段实现了两种相态下分别针对于基波和二次谐波的聚焦.在基波(或二次谐波)实现高质量聚焦时,焦点处二次谐波(或基波)的成分得到了很大程度上的抑制,更有利于后续完全滤波.进一步地,通过在波导层底面嵌入与顶面完全相同的超构表面,并横向错开半个周期,最终将关于基波聚焦和二次谐波聚焦的器件效率提升为原先单阵列情形的2.2倍和3.7倍.本文的研究为导波驱动(或激发)超构表面的线性及非线性多功能复合调控提供了一种新的可能途径.     

光学超构材料专题编者按

正超构材料(metamaterials)自21世纪初被提出以来,已经经历了20年的发展,目前,它仍然是非常活跃的前沿领域.超构材料的研究覆盖非常广泛,涉及光、电磁波、太赫兹波、声波、热、力学和弹性波等.超构材料的基本思想是,利用人工结构单元作为人造原子,来构造宏观连续的介质,通过结构单元的设计,来调控介质的材料参数,实现对波的传播性质的控制.最早的超构材料结构单元是1999年英国科学家John Pendry提出的金属开口环结构,它可以与电磁场相互作用,产生磁共振,从而实现负磁导率系数.后来,人们又提出了很多其他的人工结构单元,实现各种应用.超构材     

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.     

超构表面在量子光学中的研究与应用

超构表面是利用二维平面微纳结构调控光场的光学元件。近年来,超构表面在量子光学中的研究和应用受到越来越广泛的关注。超构表面能够实现量子器件的小型化和集成化,提高量子光源的发光效率和光源质量。结合量子光学和超构表面两个领域,介绍了量子等离激元、运用超构表面优化量子光源、运用超构表面测量和操纵量子态、量子光学的应用,以及量子发光体的量子真空调控这5个方面的最新研究进展,最后进行总结和展望。     

基于群论的晶格扰动介质纳米孔阵列多重Fano共振机理及演变

基于全介质超构材料独特的电磁属性,提出了一种晶格扰动介质纳米孔阵列超构表面来激发近红外区域的多重Fano共振.结合群论深入探究了该超构表面在其原胞为方形晶格构型与方形晶格对称性被破坏两情况下多重Fano共振的形成机理及演变规律.研究表明,在方形晶格超构表面中,外部辐射连续体分别与由正入射平面波直接激发的双重简并模式共振干涉形成双重Fano共振,且该共振与原胞中是否含孔及孔的形状无关,在晶格扰动超构表面中,原本不耦合的非简并模式由正入射平面波激发出来并与外部辐射连续体干涉形成Q值更高的三重Fano共振.进一步探讨了正入射平面波的xy极化方向对上述五重Fano共振的影响,结果表明,双重简并模式Fano共振偏振无关,三重非简并模式Fano共振偏振依赖.本文将为利用方形晶格构型的超构表面实现多重Fano共振的激发及演变提供有效的理论参考.     

基于多腔型超构材料的声场增强效应

构造了一种多腔型基本单元,由该基本单元构成的声学超构材料能够实现声场增强效应.此功能的实现是由基本单元的声腔和系统结构之间的相互耦合作用产生的单极子Mie共振引起.本文通过对多个基本单元进行不同形式的排列组合构造了对称型超构材料和非对称型超构材料,这两类超构材料可用于实现不同效果的声场增强.研究表明,由于对称型超构材料结构的高度对称,其声场增强效应的实现不受入射声波方向的影响;而非对称型超构材料的声场增强效应具有较强的方向依赖性,声波从不同侧入射时,超构材料对声场的增强效果也不同.本文关于这两类超构材料的研究将在隔声、声传感器、声通信、非对称性声学器件方面具有潜在的应用前景.