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.     

基于相位梯度超构光栅的光学超构笼子

相位梯度超构光栅为自由操控光或者电磁波传播,以及设计新型功能光子器件提供新的思路.基于突变相位概念和梯度超构光栅中的异常衍射规律,本文设计和研究了一种亚波长金属超构笼子.通过数值模拟和严格的解析计算发现超构笼子囚禁光的能力与周期内单元个数m的奇偶性有关.当单元个数为奇数时,放在超构笼子中的点源几乎可以无阻碍地辐射至笼子外面;而当单元个数为偶数时,放在超构笼子中的点源几乎无法辐射到笼子外面,即所有能量都被局域在笼子中.本研究可以为新型雷达天线罩和光子隔离器件提供新的思路和理论指导.     

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...     

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...     

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超构表面上实现非线性光的波束调控、全息成像、光学图像加密等功能。     

声学超构表面

声学超构表面是当前声学领域的研究热点,其是一种由人工微单元构成的超薄平面结构,由于其具备平面、超薄等独特物理特性及对声波的灵活调控能力,使得其在降噪隔振、隐身技术、非接触操控物体等诸多声学领域具有重要的应用前景。文章以反射型、吸收型、透射型声学超构表面为框架,深入介绍超构表面高效调控声波的物理机制并举例展示了其构建复杂声场的能力,包括任意点反射聚焦、低频完美吸声、自弯曲声束、螺旋声波以及声能量非对称传输。     

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...     

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。     

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。     

基于超表面材料的扇出衍射光学元件

提出一种基于电介质纳米砖阵列的扇出衍射光学元件的设计和实现方案,其纳米砖的深宽比低至1.5。这种扇出衍射光学元件被一束波长为633 nm的入射光束照射时,可以在远场中得到均匀的4×4点阵,发散角为32°×32°,且数值模拟与实验结果吻合良好。基于超表面材料的扇出衍射光学元件具有连续、精确的相位操纵能力和较高的偏振转换效率,并且仅需一步光刻制造工艺,可以广泛应用于工程光学的各种领域,例如光学传感,激光雷达,激光加工等。     

基于偏振响应的双焦点超表面透镜设计

设计了一种在轴向能够实现焦点延长的双焦点超表面聚焦透镜.改变二氧化钛纳米微元的长宽比和旋转角度,对传输相位与几何相位进行同时调制,实现对一组正交偏振态入射光的分别独立控制.设计的超构表面能将左旋和右旋圆偏振光聚焦在轴向邻近位置实现焦点长度的轴向扩展.超表面在波长为650nm的线偏入射光照明下,可以在实现焦点长度2倍扩展的同时,较好地保持焦点的横向宽度.若入射光为椭圆偏振态,还能够实现最终生成的焦点形状优化或两个焦点的切换.     

基于超表面材料的光波相位精密操控新技术

近年来,基于超表面材料的研究发现了很多新的光学现象,其中几何相位调制是最具吸引力的方向之一。笔者介绍了超表面材料用于光波相位精密操控方面的研究,包括电磁响应的各向异性、电磁共振等机理研究、以及一系列新概念光器件。研究表明,基于金纳米棒超表面材料制造的计算全息片,能够在波长为630 nm~1 050 nm的宽带范围内高效工作,且在波长825 nm处的衍射效率超过80%;基于硅材料超表面材料制造的光分束器,能够在远场形成衍射角为59°×59°的4×4个均匀点阵,且其衍射效率在波长为1 530 nm~1 565 nm的范围内超过50%;基于硅材料超表面材料制造的偏振分离器,其在纳米棒长轴方向的反射率高达98.5%,在短轴方向透过率达到94.7%,且仅需通过调节纳米棒的宽度,就可以在波长为1 460 nm~1 625 nm的宽带范围内任意选择峰值反射波长。研究结果表明,基于几何相位调制机理的超表面材料在具备连续、任意、精密、高效的相位操控等优点的同时,在制造上却仅需要简单的二台阶微纳光学工艺条件,可用于打造新一代高性能、芯片级的光电子元器件,在光纤通信、军事国防、工业及消费电子等领域得到重要应用。     

表面等离极化激元的散射及波前调控

表面等离极化激元在片上信号传输、增强非线性/拉曼效应、生物/化学传感、超分辨成像等方面具有重要应用.在这些应用中,表面等离极化激元的近场传输及远场散射起着重要作用.然而,长期以来人们对相关物理效应缺乏简单有效的理论理解,这也限制了人们对表面等离极化激元的自由调控.本文首先简单回顾了表面等离极化激元的发展历史及现状,接着着重介绍了表面等离极化激元的近场传输效应和远场散射效应,包括其理论进展及其相关应用;最后还介绍了表面等离极化激元的近场波前调控的相关方法.基于这些进展,人们对表面等离极化激元的散射特性有了更为深刻的理解和更加强大的调控能力,这将对未来表面等离极化激元相关研究和应用带来启发.     

基于相位调控的超高透射声学超表面及其应用*

声学超表面可以灵活有效地对声波进行调控,实现多种新颖的现象和功能,在诸多声波调控领域有潜在的应用前景。该文引入了一种镀膜型迷宫结构单元,可以提供全范围(0~2π)的突变相位,具有高效的透射率(~100%)和较好的鲁棒性。基于相位调控,可利用镀膜型迷宫结构单元构建出超高透射超表面,实现异常声折射、声聚焦、声束沿任意凸轨迹弯曲传播以及声成像等应用。     

一种光可调的多功能太赫兹几何相位超表面北大核心CSCD

基于金属-光敏硅组合圆环提出了一种光可调太赫兹超表面,可用于实现多功能的波前操控。该超表面单元由正反两面的结构层和中间介质层组成,其中结构层是开口方向相反的金属环,开口处由光敏硅进行填充。在光照强度较低时,超表面可以将入射的圆极化波转换为交叉极化的透射波;随着光照强度升高,透射波将逐渐被完全抑制。根据几何相位原理,通过旋转金属-光敏硅组合圆环,透射的交叉极化波会携带额外的相位因子,并可实现完全的2π范围相位覆盖。通过合理排列超表面单元结构,可以对透射波的波前实现任意操控。利用提出的光可调超表面,在较低光照条件下实现了高效的异常折射、透镜以及轨道角动量产生器;在较高光照条件下,抑制了其透射效率,可有条件地选择应用功能,表现出较好的灵活性。提出的光可调超表面在太赫兹成像、通信、雷达等方面具有较大的潜在应用价值。     

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.     

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。     

基于透射型几何相位编码超表面的太赫兹波束自由操控

为了实现太赫兹波束的自由操控,基于Pancharatnam-Berry几何相位理论,提出一种多层C型单元结构,实现在目标频率下0到2π的太赫兹波透射传输相位调控.基于广义斯涅耳定律,构建2-bit和3-bit编码超表面,在圆偏振入射条件下,实现透射型太赫兹波束的散射角度调控.采用数字信号处理理论中的傅里叶卷积运算,对不...     

基于相变材料超表面的光学调控

超表面光学完美结合了传统的几何、物理光学理论和前沿的纳米技术,近年来引起科研工作者的广泛关注.在线性光学领域,它已广泛用于对光波的振幅、相位进行调控,如平面透镜、全息成像和热辐射器件等.在非线性光学领域,针对它在高次谐波生成、超快激光器等方面的研究工作也方兴未艾.本文分别从理论和应用角度,分析总结了国内外超表面光学调控方向的研究进展,重点介绍了利用相变材料实现动态光学调控的前沿研究工作,并讨论了未来发展前景以及需要解决的难题.