衍射极限尺度下的亚波长电磁学

作为波的本性之一,衍射是现代物理学的重要研究内容.衍射导致自由空间中波的能量不能被无限小地聚集,从而为成像、光刻、光存储、光波导等技术设定了一个原理性的障碍——衍射极限.对于电磁波和光波而言,尽管通过提高介质的折射率可以压缩衍射效应,但由于自然界中材料的折射率有限,该方法存在很大限制.近年来,随着表面等离子体光学的兴起,表面等离子体在超越传统衍射极限方面的能力和应用前景受到了学术界的关注.本文从亚波长电磁学的角度出发,介绍衍射极限研究的历史,综述了突破衍射极限的理论方法.首先,利用金属介质表面等离子体激元的短波长特性,可将等效波长压缩一个数量级以上,在纳米尺度实现光波的聚焦或定向传输;更进一步,通过人为设计超构材料和超构表面,利用结构化金属和介质中的局域谐振、耦合等特殊电磁响应,可实现亚波长局域相位调制、超宽带色散调控、近完美吸收、光子自旋轨道耦合等,从而突破传统理论的诸多局限,为下一代电磁学和光学功能器件奠定重要基础.

电磁超构材料色散调控研究进展

超构材料通常由亚波长的周期性谐振单元组成,具有自然材料所不具备的超常电磁特性,为操控电磁波提供了全新的技术途径。色散是材料的固有属性,调节亚波长结构的电磁共振可以实现奇异的色散特性,从而突破传统定律限制,实现对电磁波的任意操控,由此产生了一系列全新的应用,如超分辨成像/光刻、高效电磁吸收/辐射、平面光子器件等。本文总结了超构材料中色散调控的基本理论和几种典型方法,介绍了其在相关领域的应用,并对超构材料的发展前景作出展望。

广义折反射定律

折射和反射是波动传播时的基本现象,光波、电磁波和声波等均可被材料界面折射和反射。近来研究发现,通过在界面上制备人为设计的亚波长结构阵列,可改变传统折射和反射行为,为成像、电磁/几何外形解耦、全息显示等技术提供新的手段。本文综述了近年来折反射定律研究取得的进展,介绍了不同材料体系中波的折反射行为,阐述了相关的基本理论和具体应用。最后,结合本课题组的最新结果,分析了现有研究存在的不足,展望了本领域未来的发展趋势。

基于传输相位和几何相位协同调控的消色差超透镜

超透镜是超表面在成像领域中具有较大应用潜力的平面光学器件,但限于色差和较窄的工作带宽,通常难以应用于彩色成像及显示技术。本文设计了一种相位调控型透射式超透镜,实现了400 nm^650 nm波段的宽带消色差聚焦功能,带宽范围内焦平面处的平均聚焦效率约为29%。该方法利用具有低损耗、高折射率优势的二氧化钛(TiO2)介质柱结构,在可见光波段内获得了类似截断波导产生的传输相位响应。同时分析了几何相位和传输相位相结合的色散调控机制,并使用粒子群算法对构建的相位响应仿真数据库进行优化,完成了实际波面与理想聚焦波面的相位匹配。设计的宽带消色差器件有望在显微成像、计算机视觉和机器视觉等领域发挥作用。

基于石墨烯结合亚波长金属结构的太赫兹宽带动态吸收器

具有动态可调特性的太赫兹吸收器在太赫兹开关、传感器以及太赫兹探测等方面具有巨大的应用前景。然而,基于传统超材料的太赫兹吸收器通常不具备理想的动态可调特性。本文中,我们提出利用单层石墨烯结合十字形亚波长金属结构设计太赫兹动态可调吸收器的方法,实现太赫兹波段宽带动态可调吸收。通过控制加载在石墨烯上的偏置电压改变石墨烯的化学势,可以轻松实现吸收频率动态调节。仿真结果显示,吸收器平均吸收带宽达1.3 THz,90%吸收频率范围可从2.04 THz^3.53 THz到3.15 THz^4.24 THz连续动态调节。

基于非对称光子自旋—轨道相互作用的超构表面

光子自旋—轨道相互作用是经典光学所忽略的重要现象,近年来研究发现该现象可通过人工亚波长结构显著增强并进行按需调控。传统超构表面仅支持对称光子自旋—轨道相互作用,存在共轭对称性限制,难以将不同自旋态用于多功能集成、复杂光场调控、信息加密及存储等领域。非对称光子自旋—轨道相互作用能够使左右旋圆偏振光解耦,为突破上述理论和应用限制带来新契机。本文首先介绍了非对称光子自旋—轨道相互作用的原理及实现方法,其次介绍非对称光子自旋—轨道相互作用的代表性应用以及特点,最后对非对称光子自旋—轨道相互作用研究面临的挑战和未来的研究方向进行展望。

用于可见光波段切趾成像的宽带消色差超表面滤波器

切趾在成像和光通信领域得到了重要的应用。传统的切趾方法基于相位或者振幅调制,存在工作带宽窄或者分辨力低的问题。本文提出了一种宽带消色差的超表面滤波器,可以在不损失空间分辨力的情况下实现切趾成像。通过该滤波器在整个可见光波段完成了几乎无色散的相位调制。仿真结果表明,超表面滤波器的聚焦效率是相位滤波器的两倍;其成像对比度可以提升至高斯滤波器的三倍。通过我们的方法,在400 nm到700 nm的可见光波段内,点扩散函数的旁瓣能被压缩到10^(-5)数量级,同时能够实现衍射极限甚至超衍射的分辨力。

一种新型贝塞尔光束器件的设计方法

悬链线型亚波长结构可以实现连续的相位调控。但是,普通悬链线孔径两端较窄,不易于加工。另外,以往直接在仿真软件CST中建立复杂模型较为困难,仿真过程较为繁琐。本文提出了用等宽悬链线狭缝替代普通悬链线狭缝,并设计了用于产生贝塞尔光束的等宽悬链线超表面,为二维光电器件的设计提供了新思路。在建模仿真过程中使用Matlab调用CST进行联合仿真,直接在Matlab中完成所有建模、仿真、修改参数等操作。该方法可以用于设计复杂结构,同时结合Matlab数值优化能力得到更理想的仿真效果。

基于相关性选择的微型计算光谱探测技术

得益于体积小、结构紧凑、易集成等优势,基于超构表面的微型光谱探测技术近年来被广泛研究。然而,现有基于超构表面的微型光谱探测系统设计过程中,通常缺乏对超构表面透射光谱相关性均值与重建质量的定量分析。现有设计过程中采用随机选择方法,无法保证重建质量最优。本文定量分析了超构表面透射光谱的相关性均值与重建质量的关系,提出了一种用于微型光谱探测的超构表面设计方法。此外,本文还验证了基于超构表面的微型光谱探测技术的光谱特性,相较于随机选择设计方法,本文所提出方法可提高宽带光谱和图像光谱的重建质量。

弱手性超表面中的超常极化旋转

本文介绍了一种能够产生超强旋光性的弱手性极薄(λ/10)亚波长结构的超表面。该超表面的单元结构由介质层以及设置在介质层上下表面的两层椭圆金属贴片组成,两层椭圆金属贴片之间存在一个扭转角的关系。当扭转角为80°时,超表面在谐振频点11.89 GHz处能将入射线偏振电磁波转换为交叉极化透射波,其透过率超过94%。这种超表面重量轻、体积小,为极化旋转提供了一种可靠的方法。若将其拓展到光波波段,该超表面在弱手性分子的生物学检测中有潜在的应用。

基于二次相位超表面的大视场紧凑型全Stokes偏振测量方法

偏振是光的固有属性之一,然而传统的光强、光谱探测技术会造成电磁波的偏振信息的丢失。同时,基于偏振测量的器件及技术不仅存在视场局限的问题,而且系统复杂。基于介质型超表面设计了一种紧凑型大视场偏振探测器件,实现了对入射光的角度及偏振态的探测。该器件由2×2的二次相位超表面组成,每个超表面可实现对特定偏振的对称性变换,即将入射角旋转对称性转变为焦平面内焦点平移对称性。二次相位的对称性变换理论使得此文可以在宽角度范围内(-40°^+40°)通过测量焦点的偏移量实现对入射角的表征。在此基础上,分析了斜入射对测量Stokes参数的影响,得到矫正的Stokes公式。利用4个焦点的强度和矫正的Stokes公式可计算出入射光的Stokes参数。在视场角为0°、20°、40°时,测量的Stokes参数与理论值吻合良好。

基于伴随仿真的偏振复用超构透镜

偏振成像技术在目标探测、生物医学等领域具有重要应用价值,基于超构表面设计的偏振成像系统可以有效避免传统偏振成像系统存在的结构复杂、体积和质量大等问题,有利于实现光学系统微型化、轻量化和集成化。然而,传统超构表面设计方法忽略了超构表面结构的局部非周期性引起的近场电磁耦合,在大数值孔径的条件下会严重影响器件的衍射效率。为了解决这个问题,本文提出了一种基于边界优化的偏振复用超构透镜设计方法,并由此设计了一种能对x和y偏振光独立调控的大数值孔径(~0.94)偏振成像超构透镜。在基于人工择优初始结构的优化设计中,通过参数扫描、人工择优的传统设计方法得到超构透镜初始结构,然后通过边界优化方法对超构透镜进行进一步的优化,其衍射效率相比于优化前可以提高20%左右;在基于均匀阵列初始结构的优化设计中,通过20次左右的迭代,超构透镜衍射效率可以达到92%左右。本文提出的优化设计方法可有效提高偏振复用超构表面器件效率,并且能够简化多功能超构表面的设计步骤,在偏振成像、光通信等领域具有应用前景。

超构表面偏振调控最新研究进展(特邀)

作为光波和电磁波的基本参量之一,偏振态的高效调控是电磁波操纵的核心内容,在成像、通信、显示、光学加密、光力操纵等领域至关重要。超构表面可以在亚波长尺度上操控偏振态,因此成为偏振调控和矢量光束生成的强大工具。本综述首先简单介绍了偏振调控超构表面的基本原理和典型结构,然后重点总结了它在传播方向偏振转换、矢量涡旋光束生成、矢量全息和加密、矢量偏振测量和动态调控等方面的最新应用进展,最后对该领域未来可能的发展方向进行了展望。

基于共聚焦亚像素扫描的高分辨三维成像

激光雷达技术因具有高精度、高分辨率和工作距离远等优点被广泛应用于三维成像。然而,受光学系统衍射极限的限制,激光雷达的空间分辨率随着目标距离的增大而显著降低。为解决上述问题,结合共聚焦照明技术和亚像素扫描技术,提出一种聚焦照明亚像素扫描光子计数激光雷达,并在实验室内进行了10 m成像实验。结果表明,相较于准直照明光束,采用共聚焦照明光束可将系统空间分辨率由5.0 mm提高到0.9 mm,不仅实现了超光学系统衍射极限成像,还有效降低了多重回波的影响,增强了回波强度。

基于飞秒激光加工的高阈值高阶贝塞尔光束产生器件

高阶贝塞尔光束能够携带轨道角动量,且具有无衍射特性,在粒子操控、激光微纳加工及非线性光学等领域具有重要应用价值。目前产生高阶贝塞尔光束的方式无法同时满足集成化和高功率场景的应用需求。基于飞秒激光诱导的双折射纳米光栅结构,提出一种高损伤阈值的集成化光场调控器件制备方法。通过调控纳米光栅的光轴方向和相位延迟量,在石英玻璃内部写入光轴取向空间变化的多层纳米光栅结构,制备的器件可以实现不同光场调控功能的叠加和不同工作波长的设计。基于所提方法制备了中心波长为532 nm、拓扑荷值为4的高阶贝塞尔光束产生器件。器件产生的高阶贝塞尔光束携带的轨道角动量与设计值相符,在4 m距离内光斑大小保持基本不变。器件的零几率激光损伤阈值为28.5 J/cm^(2)(6 ns),在高功率激光光束整形等领域具有极大的应用潜力。

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、可调谐性差等原理性问题。文章介绍了复合相位调控的实现原理和方法,以及复合相位超构表面的典型应用及特点,最后对复合相位超构表面的未来研究方向进行了总结和展望。

芯片制造中的光学微纳加工技术前沿与挑战

基于第282期“双清论坛”,本文分析了我国未来芯片及其制造技术发展面临的国际形势、技术挑战和发展趋势,回顾了光学微纳加工技术近年来与光学工程、物理学、电子科学与技术、仪器科学与技术、集成电路科学与工程等多个学科领域交叉取得的主要进展和成就,凝练了未来芯片制造中光学微纳加工技术亟需解决的基础科学问题,展望了光学微纳加工技术科学前沿,探讨了未来5~10年我国在该领域亟待关注的研究方向。

High-efficiency multi-wavelength metasurface with complete independent phase control

As a consequence of Kramers–Kronig relations, the wavelength-dependent behavior of the metasurface is one of the critical limitations in existing metasurface structures, which reduces the design freedom among different wavelengths. Here, we present an approach to construct a high-efficiency multi-wavelength metasurface with independent phase control by coding different wavelengths into orthogonal polarizations. As proof of the concept, two dual-band metasurfaces have been proposed and numerically demonstrated by multiple vortex beam generation in near-field and polarization multiplexing achromatic beam deflection. Furthermore, simulated results show that the proposed metasurface exhibits high transmission efficiency at both wavelengths, which may find widespread applications in subwavelength electromagnetics.