基于介质超表面的宽谱、大偏转角近红外光束偏转器

设计了一种适合集成的基于介质超表面的透射式光束偏转器,可在1550 nm附近的红外波段实现大角度偏转,同时具有宽光谱、高效率的优势。根据广义斯涅尔定律设计并优化了光束偏转器的结构,由横截面为梯形的非晶硅纳米柱周期性排列在石英玻璃衬底上构成,相比于传统超表面采用多个纳米柱实现离散的相位梯度,梯形纳米柱形成的连续相位梯度可以获得更好的偏转特性。利用时域有限差分算法对光束偏转器的效率、偏转角、宽光谱和入射角度依赖性等性能进行了仿真分析,采用电子束光刻等工艺制备加工出上述器件并进行了测试。仿真结果表明偏转器在1350~1650 nm波段均具备良好的偏转特性,平均透射率高于87%,平均偏转率为81%;器件在1550 nm处实现了42.8°的大偏转角,透射率为84%,偏转率为80%,且允许入射角度在-10°~5°变化。实验测试结果表明对于1550 nm波长,光束偏转角度在41°附近,器件透射率约为76%,约35%的入射光偏转到目标角度。上述方案为近红外超表面器件的设计提供了新的思路,实现了效率、偏转角和适用波长的优化,透射式光路更加适合集成,应用潜力更大。

基于连续谱束缚态的高Q太赫兹全介质超表面

为了研究基于连续谱束缚态(BIC)高品质因子Q谐振,提出了由双空心硅圆柱体组成太赫兹全介质超表面。采用数值模拟方法对结构的透射光谱及电磁场图进行了分析,并利用本征模分析的方法研究了超表面结构参数对BIC频率的影响,给出了该BIC超表面在太赫兹大频率范围工作的参数设计方法。结果表明,在3.0THz左右实现了一个可调高Q环偶极Fano谐振;本征模式的分析计算结果与入射电磁波模式的分析计算结果对称性不匹配,该超表面支持的是一个对称保护BIC。此研究为基于BIC的高Q超材料在超低阈值激光器件、非线性光学谐波产生及高灵敏度传感等领域的应用提供了理论参考。

基于介质超表面的径向偏振贝塞尔透镜

本文提出了一种基于介质超表面的径向偏振贝塞尔透镜,它可以高效率地将线偏光转换为径向偏振光,并且同时实现贝塞尔聚焦。在线偏振光入射下,利用非对称光子自旋轨道相互作用对线偏振光左右旋分量进行独立调控,最后通过自旋重组同时实现偏振转换和波前调控。在波长为532 nm处,数值孔径NA=0.9,超透镜实现了超越衍射极限聚焦焦斑。该项研究在粒子加速和超分辨率成像方面具有潜在的应用价值。

一种基于Fano共振的全介质超表面折射率传感器

提出了一种以'双C'形硅纳米天线为基本单元的全介质超表面折射率传感器。介绍了法诺(Fano)共振的原理,通过建立法诺共振解析模型,解释了该传感器反射率谱曲线不对称线型形成的物理机制。用电磁仿真软件对介质超表面进行了数值仿真,仿真结果显示该超表面用作折射率传感器时具有较高的灵敏度、Q因子与FOM值,分别达到228nm/RIU、1 162与243。

全介质超表面中的手性太赫兹响应

基于单层金属手性谐振器的超表面在垂直入射条件下很难激发较大的手性光学响应,难以形成与电偶极矩不正交的面内磁偶极矩分量。光场在介质超原子中激发的位移电流可能引发面内磁矩,进而实现高效的手性光学响应。基于无损的全硅超表面在太赫兹波段实现了巨大的手性响应。手性硅柱中的泄露波导模式同时激发了面内电偶和磁偶极矩,从而引发了自旋选择的后向电磁辐射,进而实现了太赫兹波的手性光学响应。利用线栅偏振片搭建了偏振相关的时域光谱测试系统,测得透射光谱中的圆二色性峰值达0.2。这种制备简单的全硅超表面为太赫兹手性超器件的设计提供了新的思路,有望应用于太赫兹偏振成像、光谱检测等领域。

全介质超表面的研究进展与展望

随着光器件向纳米尺度发展,在纳米尺度内实现光的操控,对于小型化光学器件、构建纳米尺度的集成光路具有重要意义。全介质超表面在次波长尺度内可以实现波的振幅、相位和极化方式的控制,吸引越来越多研究者的关注,很多基于全介质超表面的光学元件被提出。详细介绍了几种重要类型全介质超表面的实现方式、及其功能和应用,并对全介质超表面的发展做了简单的展望。全介质超表面在光频段有很强的电响应和磁响应,及较小的能量损耗,为平面、超薄的光学设备提供了强大的平台。

基于介质超表面的集成化偏振光传感器

设计了一种基于介质超表面的集成化偏振光传感器,该传感器由介质超表面、双层视场光阑和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器等元件组成。首先,设计了用于将入射光正交分解为6种偏振光分量的介质超表面。其次,分析了传感器的光路结构,利用微纳工艺制作了用于消除环境杂光的双层视场光阑。然后,搭建了传感器对准平台,并在平台上完成传感器的制备。最后,对传感器进行标定与实验测试,标定后传感器的全Stokes参数测量误差为±0.15,偏振角误差为±0.3°。该传感器具有小体积、多方向、可测量全Stokes参数等优点。

基于Fano共振的全介质超表面双参数传感器

与金属超表面相比,全介质超表面具有较低的欧姆损耗和较尖锐的共振峰。提出了一种基于“θ”形全介质硅超表面的双参数传感器。通过增加空孔破坏周期单元结构的对称性,从而产生两个Fano共振峰,其中第一个Fano共振峰为连续域中的准束缚态(QBIC),两个峰的光谱对比度分别为71.4%和99.4%。利用商用多物理场仿真软件COMSOL对该超表面周期结构进行模拟仿真,结果表明,传感器在两个Fano共振峰处的折射率传感灵敏度分别为278.9 nm·RIU-1和230.0 nm·RIU^(-1),优值(FOM)最大为9387,品质因子(Q)最大为9735。本传感器能够同时实现折射率和温度的双参数测量,仿真结果显示两个共振峰的温度传感灵敏度分别为18.86 pm·℃^(-1)和42.71 pm·℃^(-1)。

基于全介质超表面的微流体折射率传感器

基于全介质超材料的电磁属性,提出了一种基于硅缺口盘单谐振器的超表面微流传感装置;利用时域有限差分(FDTD)法进行仿真模拟,仿真结果表明,该结构可以产生三重Fano共振,包括可被入射光直接激发的明偶极共振以及非对称性结构下明暗模式干扰产生的一个高阶模式杂化共振和一个磁共振。另外,分析了结构参数(缺口长度和宽度、结构的周期、硅盘半径和厚度)对Fano共振的影响以及微流装置中分析物厚度对传感特性的影响,得到参数优化后的结构的灵敏度最大可达到400.36nm/RIU,品质因数Q最大可达到1252.3,并证明了溶液厚度在一定范围内增大可以提升传感检测的性能。

基于二维电介质超表面的柱矢量光束偏振阶数调控

超表面在柱矢量光束(CVB)产生方面具有效率高、器件精巧等优势,被广泛用于CVB产生及相关应用,但是该方法存在一个比较大的缺点:超表面的结构是固定的,因此生成的CVB的阶数是不可调的。为了解决该问题,在1550 nm波段实验证明了一种通过模式的加减操作来高效调控CVB偏振阶数的方法。通过将两块超表面级联在一起,实现了CVB偏振阶数的减法运算;在两块超表面之间插入一块半波片,通过反转CVB偏振阶数,实现了CVB偏振阶数的加法运算。最终实现了在-8~8范围内以2为步长的CVB偏振阶数调控操作,实验结果与Jones矩阵的计算结果完全吻合。

基于全介质超表面高Q的双带太赫兹传感器

设计了一种由连续域束缚态控制的高灵敏度太赫兹折射率传感器。该传感器由全介质光栅构成,通过平移打破结构的对称性,可以将共振转变为高品质因子(Q因子)泄漏模共振,且线宽极窄腔模式对周围介质的折射率变化非常敏感。利用有限元方法,数值模拟了具有不同非对称参数、光栅厚度、光栅宽度以及折射率分析物的透射光谱。结果表明,该光栅超表面的Q因子达到12620,标准灵敏度为31395 nm/RIU,FOM(Figure of merit)为1000,在太赫兹范围内的高灵敏光子传感器领域具有潜在的应用。

太赫兹介质超表面实现双域多信道复用

提出一种工作于0.25~0.35 THz的介质超表面,基于该超表面、结合轨道角动量(OAM)和频率域实现双域多信道复用,理论上可实现4×N(N为任意正整数)路携带不同信息的正交同轴波束的同时传输。超表面由介质柱阵列和介质基板构成,可基于PancharatnamBerry相位原理进行设计。选取0.25、0.3、0.35 THz三个频点进行仿真验证,结果表明:当3路具有不同频率和入射角的圆极化平面波沿4个不同方向斜入射至超表面上时,在垂直于超表面的方向上,12路交叉极化透射波被转换为彼此拓扑正交或频率正交的同轴波束,即结合OAM和频率域实现了12路信道复用。所提出的介质超表面在高速率大容量太赫兹通信领域具有潜在的应用价值。

用宽带超表面产生阵列贝塞尔光束

通过在空间光调制器(SLM)上加载相位图或通过光刻加工微型圆锥状结构可以产生贝塞尔光束阵列。然而,典型空间光调制器具有比波长大一个数量级的像素尺寸,这限制了相位梯度的可用范围,用光刻法加工的微型锥透镜的顶端不是标准的圆锥,这影响了贝塞尔光束的质量。为了克服这些缺点,将复杂的相位图加载到电介质超表面上,设计了一种可以产生阵列贝塞尔光束(在波长700 nm处,NA=0.3)的超表面器件。该器件可以宽波段工作,其单元结构在波长580~800 nm范围内的偏振转换效率均超过57%。利用时域有限差分算法(FDTD)对该器件(厚度为380 nm,直径仅为40μm)进行了仿真,所产生的阵列光束都垂直于超表面器件。所提出的阵列贝塞尔光束发生器具有纳米级别的厚度和几十微米的直径,这对于未来的集成光学领域具有很大的应用前景。

介质材料的有序微纳结构及其显色研究进展

在自然界和日常生活中,由入射光与结构之间的干涉而产生的结构色是普遍存在的。与传统的化学颜料和染料相比,结构色具有损耗低、环保、耐久性高等优点,在显示、光存储、传感和信息加密等领域具有广阔的应用前景。近年来,随着微纳加工技术和表征手段的不断发展,利用人工制造的金属微纳结构来产生结构色成为一种主要的方法。但是表面等离激元结构色不可避免地会产生高的损耗,这使得散射截面变小,从而导致了色度范围受限、颜色饱和度降低、明度降低等一系列问题。与等离激元结构相比,谐振介质结构和混合结构具有损耗低、场约束强、散射截面大等优点。因此,介质结构色的研究对实现超高分辨率的鲜艳结构色具有重要意义。本文从介质结构色的理论基础出发,按照介质材料的种类(硅、二氧化钛、氮化硅、二氧化硅和其他材料),对其最近的研究进展进行了综述,提出了介质结构色这一快速发展领域未来可能的发展方向和存在的挑战。

聚焦强度可调的高数值孔径的双焦点超透镜

基于超表面对光波的振幅、相位和偏振进行调控来实现聚焦与成像的超透镜受到广泛关注。设计了一种聚焦强度可调的高数值孔径的双焦点超透镜,并进行了理论分析和仿真验证。仿真结果表明,该超透镜能有效地将圆偏振入射光聚焦到半高宽为0.44λ的光斑上,对应的数值孔径高达0.95。此外,通过改变入射光的偏振态,可以灵活地调制两个焦点的相对强度,而不同于以往的双焦点超透镜需要对光强进行重新组合。更重要的是,当圆偏振光入射时,它的聚焦效率可达65%,可适用在0.8~1.2 THz的较宽频率范围和0°~20°的入射角内,同时该工作为多焦点超透镜的设计提供了重要思路,也将在多成像系统、光学层析成像技术等许多领域具有较高的应用价值。

基于全介质纳米圆柱孔超表面的传感特性研究

提出了一种由圆柱纳米孔阵列组成的全介质超表面折射率传感器,通过平移纳米孔引入结构单元的面内对称性破坏,非对称的介质纳米孔阵列可以实现由电四极子(EQ)激发的具有高品质因数(Q值)的准连续域束缚态(BIC)共振模式。从理论上分析了结构非对称参数与Fano共振的辐射Q值之间的关系,证明了该模式为对称保护BIC模式,并进行近场分析和多极分解,证明了EQ在共振模式中占主导作用,同时分析了结构参数对Fano共振的影响,并计算了介质折射率的光谱响应,得到结构的灵敏度可达512 nm/RIU(折射率单元)、Q值为2568.7、优质因数(FOM)为760,所提结构在近红外范围内的高灵敏生物传感器领域具有潜在的应用价值。

基于全介质的超表面谐振器热发射相干性研究

以六方碳化硅(4H-SiC)全介质谐振器为例,借助椭圆偏振实验与有限元电磁模拟系统地研究了温度与结构几何周期对其相干热发射的影响机制。研究结果表明:高温削弱了4H-SiC晶体的介电极化与超表面的相干热发射,而几何周期正向影响表面波传输模的激发与耦合强度,从而影响发射率的空间相干性;二者主要通过改变表面波有效传输长度来调节热发射的相干性。此外,全介质超表面谐振器的高Q值对温度与结构周期有很强的依赖性。所得结果可为相关极化超表面谐振器件在热发射调控领域的应用提供参考。

基于Fano共振超表面的多功能传感器设计

基于Fano共振超表面所具有的高品质因数Q以及电场局域特性设计了一种全介质超表面结构,探究了超表面结构参数与品质因数Q、调制深度之间的关系。通过改变结构实现了单重Fano共振至双重Fano共振的有效调控。对比同等参数下矩形柱与椭圆柱超表面结构的灵敏度,选择矩形柱结构并确定其最优参数。矩形柱超表面结构的品质因数Q最大可达3408,双重Fano共振峰的调制深度接近99%。通过仿真计算可知该结构对甲烷体积分数的测量灵敏度可以达到1.57 nm/%(对应dip1)和1.66 nm/%(对应dip2),对背景折射率的测量灵敏度为419.45 nm/RIU和395.7 nm/RIU,FOM(figure of merit)值分别为524.3 RIU-1和542.8 RIU-1。此外,入射光偏振角度对此传感结构的Fano共振透射光谱强度具有一定影响,这一特性为光学非对称传输、偏振角检测以及超表面多功能复用等提供了新思路。

宽带电磁涡旋的设计和实现

提出了基于反射型电介质超表面的宽带电磁涡旋波束发生器,它工作在53～70 GHz频段范围内,相对带宽达到了27.6%。本设计采用折射率较高的电介质元件位于低折射率基板上。超表面能够引起反射波和入射波之间的偏振转换。通过调整高折射率电介质元件的尺寸,可以在反射波与入射波之间获得从0到2π的相移。电介质元件尺寸的进一步适当调整可以使得不同元件之间的相位差在53～70 GHz的带宽内基本不变,从而提供产生宽带毫米波电磁涡旋的能力。应用偏振转换效率和模式频谱等品质因数来定量评估生成的电磁涡旋波束的质量。还研究了更高阶的电磁涡旋波束发生器。实验结果证明了该结构的有效性。

基于双准偶然连续体束缚态模式的传感与慢光研究

近年来,光学超表面中的连续体束缚态(BIC)因其独特的性质而受到了广泛的关注。为了研究两个准偶然连续体束缚态(A-QBIC)模式之间相互作用诱导的新颖光学现象,提出一种方形纳米孔阵列全介质超表面。结果表明,在x偏振光和y偏振光入射时能实现A-BIC现象,尤其在45°偏振光入射下可实现两个A-QBIC模式间的相互作用。利用能带理论和多极展开理论对A-QBIC模式进行分析,发现这两种模式均由环形偶极模式主导。重要的是,基于A-QBIC模式的高Q值特性,能够构建高灵敏度折射率传感,同时利用两个A-QBIC模式间具有灵活调谐度的相互作用特性,还能够实现类电磁诱导透明和可调的慢光。研究结果可为基于A-QBIC的高Q超构器件在高灵敏度折射率传感及慢光等领域的应用提供理论参考。