斯坦福大學Nat. Nanotechnol.：用于光場動態控制的超表面光流體

解讀-用于光場動態控制的超表面光流體

在集成光流體芯片上操縱光和液體的能力已經刺激了生物學、醫學、化學和顯示技術的無數重要發展。微流體(Microfluidics)技術有助于高度自動化地引導、混合和操縱微小體積的液體，并在推動各種技術方面發揮了作用，這些技術包括生物學中的細胞培養和高通量診斷以及合成化學中的微反應器。在單個芯片上集成光學和流體學所產生的巨大協同作用進一步擴大了可能性，因為液體可以用來控制局部的光學特性，反之，光也可以用來監測液體內的化學和生物過程。研究人員已初步嘗試將這種整合擴展到千兆赫茲和太赫茲系統中基于元表面的平面光學。

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[成果掠影]

在這項研究中，美國斯坦福大學Mark L. Brongersma?課題組展示了光流體學和元表面光學的融合，以實現對光場的動態控制。本工作首先展示了元表面構件，其散射特性對其電介質環境顯示出極高的敏感性。然后，這些模塊被用來在微流控通道內創建基于元表面的平面光學，在那里，具有不同折射率的液體可以被引導，以操縱其光學行為。本工作展示了元表面彩色像素的強度和光譜調整，以及按需使用的光學元件。最后本工作展示了在一個集成的元光電平臺上的自動控制，以開辟新的顯示功能。結合大規模的微流體集成，本工作的動態元表面平面光學平臺可以開辟動態顯示、成像、全息和傳感應用的可能性。相關論文以題為：“Metasurface optofluidics for dynamic control of light fields”發表在Nature Nanotechnology上。

[核心創新點]

• 本工作應用不同的材料和一種概念上的新機制，將這種整合轉移到非常重要的可見光譜范圍，并提供新的光學功能，這在開發新型顯示器、動態按需平面光學和傳感技術方面可以起到變革作用。
• 本工作展示了具有明亮結構色彩和長期穩定性的亞波長分辨率像素，并提出了動態控制光場的新方法。這些特征可以實現透明顯示和動態按需平面光學，并帶來新的傳感方式。
• 在這里，本工作展示了一個透明基底上的元流體平臺，能夠動態控制光場的強度和光譜，而不需要偏振器或彩色濾光片。

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• 動態金屬表面光流體平臺的開發

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圖1a顯示了幾個重要的動態控制功能，這些功能可以通過在微流控通道內加入硅（Si）元表面來實現。這些納米結構被設計成通過在其上流動不同折射率（n=1.0-1.7）的液體來實時改變其散射特性。首先，本工作在實驗中證明了彩色像素的動態反射率調整。本工作采用了硅納米片的方形晶格來確保與偏振無關的反應。雖然傳統墨水顯示器中的彩色像素的幾何形狀是由微小的液體單元的形狀定義的，但元表面的彩色像素可以被設計成任意的形狀，并提供衍射限制的分辨率。圖1b顯示了一個單一的藍色像素的高反射率"開"的狀態和充滿空氣的通道（n=1.0）的各種字符，以及n=1.7的液體流動導致的低反射率"關"的狀態。25×25μm²的元表面像素包含10000個硅納米盤，但由于亞波長盤的間距而顯得光學均勻。印刷的"斯坦福"一詞突出了元表面"油墨"所帶來的亞微米級的分辨率。正如本工作的光譜測量所顯示的那樣，像素的切換需要反射率的大幅和寬帶變化（圖1c）。其次，本工作用另一種元表面設計證明了反射性像素的動態顏色調整。在光學反射圖像（圖1d）和測量的反射光譜（圖1e）中，本工作觀察到隨著通道中的指數從1.0增加到1.7，整個可見光譜的顏色逐漸調整。第三，本工作展示了本工作如何實現按需使用光學元件，其中光學元件可以被制造出來和消失。這需要對相控陣光學器件的衍射效率進行有效的動態控制。為了說明這個概念，本工作設計并制造了一個由旋轉的矩形硅納米塊組成的幾何相位元表面，它以亞波長的分辨率編碼局部的幾何相位輪廓。這創造了一個工程化的波前，產生了一個理想的光場分布。這些元表面可以被設計用來編碼各種功能，如高數字孔徑（NA）光束聚焦、全息（圖1f）和大角度光束轉向。圖1g顯示，當n=1.0時，這些光學功能在整個可見頻率范圍內最初是關閉的。當本工作增加周圍介質的折射率時，它們可以被逐漸打開。本工作定量地測量，在555納米處，強度從入射強度的0.6%增加到14.4%，衍射效率增加了24倍。

圖1. 一個全面的動態金屬表面光流體平臺? 2022 Springer Nature Limited

• 用可調諧的虛構表面電流對元表面進行建模

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為了實現上述功能，本工作利用了幾個光學共振的存在和強大的分散性，這些共振在可見光譜范圍內由硅納米盤陣列支持。以前關于Kerker效應的研究表明，納米結構的諧振多極激發可以用來非常有效地引導光的流動。每個多極的遠場散射都有獨特的角度分布和相位對稱的特點。當兩個或多個多極同時被激發時，可以觀察到強烈的干涉效應，并利用它來引導散射光。這一思路導致惠更斯(Huygens)設計了由許多Kerker散射體組成的元表面。在這里，本工作通過擴展這些概念并將其應用于色散諧振器來設計高度可調的元表面。具體來說，本工作對納米結構進行設計，使其在局部指數改變時顯示出不同的光譜偏移和質量因子的變化。本工作表明，這種動態移動和塑造光學共振的能力提供了一個有價值的新途徑，可以以光譜依賴的方式控制光的流動。

元表面元素的散射特性可以通過虛構的電（J_s）和磁（M_s）表面電流來模擬。它們的電場分布顯示出所需的對稱和不對稱的相位對稱性（圖2a）。隨著周圍介質折射率的增加，這兩個共振表現出明顯不同的光譜偏移和光學品質因子的變化。這可以歸因于納米盤的模態約束以及相鄰盤之間的光耦合的差異。當環境指數被改變時，后者被電介質屏蔽所改變。本工作發現，與電場被緊緊限制在納米盤內的反對稱模式相比，對稱模式的電場在盤內有三個反節點，并更多地延伸到盤邊界之外。這導致了近場與電介質環境的強烈重疊，因此非常有效地轉移了諧振波長。因此，對稱模式表現出比反對稱模式更強的光譜移動。同時，輻射耦合在反對稱模式中占主導地位，當有效晶格常數接近諧振波長時，會導致質量系數的提高。因此，本工作可以實現對兩個主要光學共振的相對光譜位置和帶寬的廣泛調整。這意味著在一個固定的波長下，散射場的振幅和相位可以有很大的變化，這可以用來操縱反射、傳輸和吸收的特性。

本工作還可以在一個具有兩個光譜位移共振的系統中實現動態顏色控制，當指數從n=1.0變為n=1.7時，這兩個共振會一起轉移到更長的波長（圖2d）。請注意，在這種情況下，兩種折射率都可以實現高反射率，這與反射式顯示器的需求是一致的。準正態模式模擬被用來確定現實的元表面設計，它可以與目標模態色散相匹配，以實現預期的功能，如動態反射率或光譜控制

圖2. 硅超表面動態反射率和顏色調控機理? 2022 Springer Nature Limited

• 實現對隨需應變的光學元件的動態控制

圖3a說明了四個諧振模式的分散與周圍介質的折射率的關系。值得注意的是，本工作在這些模擬中準確地包括了硅的耗散性吸收損失。這在這個例子中特別重要，因為振幅和光譜寬度的變化起著至關重要的作用。對于n=1.0，兩個對稱共振的散射可以被忽略，因為它們位于Si顯示強烈材料吸收的光譜范圍內（λ < 450 nm）。兩個反對稱模式位于一個較長的波長（λ≈520納米），并有適度的阻尼。這導致散射振幅與無損情況相比減半（圖3b，頂部）。與此形成鮮明對比的是，當指數變為n=1.7，并且共振轉移到λ≈560 nm時，所有的四個共振模式都經歷了較少的材料吸收，并且在兩個極化中都變成了退化的。這導致了總散射振幅的翻倍，以及兩個極化之間的散射相位差的提升（圖3b，中間）。總的來說，這導致了一個大的開/關比率（公式（2）和圖3b，底部）。

接下來，本工作展示了如何利用先進的模態色散控制，通過復用兩個由不同大小的納米塊陣列組成的幾何相位元面，在不同的波長上產生共振，來實現光譜控制的光學功能（圖3c）。圖3d顯示了兩個納米諧振器陣列在兩種不同環境下的模擬衍射效率光譜。兩種類型的納米塊的模態色散被明智地設計成這樣一種方式，即它們在 "關閉 "狀態下與綠光或紅光產生微弱的共振（圖3d，灰線），但它們在 "開啟 "狀態下與某種顏色有效地互動（圖3d，綠線和紅線），由相應波長的光學共振驅動。圖3e顯示了在不同的電介質環境和照明條件下，在元透鏡的后焦平面拍攝的一系列光學圖像，這證實了按需光學概念的有效性（圖3c）。本工作注意到，兩個相控陣應用了不同的相位輪廓，確保了消色差聚焦。

圖3. Si幾何相位超表面對相控陣光學器件的動態衍射效率控制和光譜控制機理? 2022 Springer Nature Limited

• 元表面與微流控系統的整合

為了使這一多功能平臺的優勢更接近實際，本工作將本工作的動態元表面與一個可編程的微流控腔系統相結合。這樣的系統通過實時流動不同的液體（或空氣）來按需控制納米聲納器環境的折射率（n=1.0-1.7）。本工作首先將一個100μm大小的幾何相位元透鏡（NA=0.45）與Y型微流控通道整合在一起（圖4a），研究與液體的調制動力學。高指數油（n = 1.70）和低指數液體清潔劑（HFE-7500，n=1.29）以交替的方式被泵入主通道，流量由兩個跨越控制通道形成的氣動閥控制。這樣就可以通過改變液體的折射率來調節焦點的強度。圖4b顯示了當流過元透鏡的折射率在高和低之間交替以分別開啟和關閉焦點處的強度時，焦點處的一系列光學圖像。結果顯示，強度調制可以在100毫秒（~10赫茲）內完成。本工作注意到，本工作的設計是基于圖像的無光譜儀的折射率傳感的最佳選擇。折射率信息被解碼為一個明亮的焦點的強度，這使得低ISO感應可以獲得更大的動態范圍。考慮到在類似發光二極管的照明下，焦點的強度被調制約300%，折射率變化約30%（圖4c），動態元透鏡作為超小型折射率傳感器在實時化學/生物傳感方面顯示出巨大潛力。

最后，本工作展示了動態的、集成的元流體學顯示功能。通過利用成熟的微流體閥門技術，本工作設計和制造了一個透明的元表面數字顯示器（圖4d）。該顯示器由七個元表面條組成，其反射率可以通過一組閥門單獨控制，這些閥門可以向元表面區域輸送油或空氣。圖4e顯示了集成系統的光學圖像，圖4f顯示了從顯示器上捕獲的反射圖像，清楚地展示了從0到9的所有不同數字。觀察到的對比度在很大程度上與不使用偏振器的液晶顯示器的性能相匹配，從而為在透明基板上實現元表面顯示器鋪設了一條有希望的新途徑。

圖4. 在透明基底上將動態元表面與可編程微流控技術結合起來? 2022 Springer Nature Limited

[成果啟示]

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總之，本工作已經展示了一個全面的動態金屬表面平面光學平臺，提供了動態強度和光譜控制的光場。前所未有的高空間分辨率和透明度為設計多功能、一體化和動態平面光學提供了新的自由度。在元表面元素中設計的高靈敏度散射也通過顯示微流體通道中細微的指數變化打開了新的傳感模式。結合完善的大規模微流控集成，該平臺為動態顯示、成像、全息和傳感應用提供了一個光明的前景。

第一作者：Qitong Li?

通訊作者：Mark L. Brongersma

通訊單位：美國斯坦福大學

論文doi：

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01197-y