Nat. Commun.：用于宏觀光學元件的彈性光學超材料

【引言】

許多先進的光學應用要求通過宏觀光學元件控制可見光的傳播。通過引入特定的漸變折射率，不均勻的光子材料可以加工成透鏡和其他光學元件。經過人為設計結構，超材料能夠表現出難以在自然界中觀察到的性質，例如實現具有梯度指數的超透鏡和光學掩蔽。傳統的納米制造技術昂貴且耗時，使得光學超材料幾乎只在微觀尺度上有應用。典型的光控制體積被限制為10λ×10λ×10λ。此外，微觀光操作設備通常依賴于衍射現象，受帶寬限制。如果光學超材料在消費者價可承擔的價格下大量生產，將為光子市場提供新商機。

【成果簡介】

近日，韓國延世大學Kyoungsik Kim教授（通訊作者）使用彈性光學超材料的概念，展示了可見光波長范圍內宏觀的（435mm）波束偏轉器（293mm²）和Luneburg透鏡（855mm²）。實驗結果表明，光控和重定向體積可達10⁵λ×10⁵λ×10³λ，這使得自然光可以被基于超材料的光學器件直接加工而沒有任何額外的耦合部件。該成果以“Scalable variable-index elasto-optic metamaterials for macroscopic optical components and devices”為題于2017年7月12日發表在期刊Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1：彈性光學超材料和Luneburg透鏡的概念圖

（a，b）彈性光學超材料的變形。立方體中的綠色桿表示由具有空氣孔隙的不可壓縮介電材料制成的網狀結構單元；

（c）電場分布和使用常規超材料制成的Luneburg透鏡示意圖。制作過程困難，光控體積小于10λ×10λ×10λ；

（d）彈性光學超材料制成的Luneburg透鏡示意圖。彈性形變過程簡單，光控體積大于10⁵λ×10⁵λ×10³λ。

圖2：透明和可壓縮氣凝膠，具有測量和計算性能

（a）直徑8厘米，厚1厘米的可壓縮透明塊狀氣凝膠的照片。插圖顯示了具有84％孔隙率的納米多孔網狀結構的SEM圖像；

（b）測量的光透射率和反射率顯示在可見光譜中3mm厚的氣凝膠具有良好的透明度；

（c）633nm（紅色），589nm（黃色），523nm（綠色），473nm（藍色）和400-700nm（黑色）的氣凝膠的衰減系數分別為0.039mm^-1，0.055 mm^-1，0.080 mm^-1，0.109 mm^-1和0.069mm^-1 ；

（d）白光在氣凝膠中傳播的光學圖像；

（e）變形前（左）和變形后（右）的可壓縮氣凝膠（紅色虛線框）的照片，壓縮比為1和0.5；

（f）使用COMSOL測量方法，計算得到變形氣凝膠的有效折射率與TE（紅色圓圈）和TM（黑色方形）極化的壓縮比（J）。

圖3：波束偏轉器和Luneburg鏡頭的設計和壓制過程

（a，b）波束偏轉器（a）和光學Luneburg透鏡（b）上傳播光線的COMSOL模擬結果；

（c，d）虛線表示初始均勻氣凝膠的橫截面，實線表示壓縮后的橫截面形狀，以獲得設計壓縮比和上表面的有效折射率分布。這些設備在厚度不超過t時正常工作。熱色條表示壓縮比；

（e，f）在彈性變形之前，為每個裝置設計壓模（灰色）和均質氣凝膠（綠色）。

（g，h）通過在Z方向壓制均勻的氣凝膠，實現TO波束偏轉器和光學Luneburg透鏡的壓縮。適當變形的氣凝膠具有所需的壓縮比和折射率分布。熱色條表示壓縮比。

圖4：宏觀可見波偏轉器的實驗演示

（a）波束偏轉樣本的照片，比例尺的尺寸為20mm。氣凝膠塊參數：外徑46mm，內徑37mm，厚度5mm。光束從右側紅點A處入射；

（b）來自太陽模擬器的平行白光束入射并沿偏轉器傳播，滿足TO設計；

（c）對照組：光線在45°偏轉器中沿直線傳播；

（d）對照組：光線在連續均勻的氣凝膠塊中沿直線傳播，氣凝膠塊無機械變形；

（e）橫截面圖像；

（f）光束在輸出表面（b、c、d中的紅色邊緣）的強度分布；

（g）各種波長激光束（633nm，598nm，523nm和473nm）沿波束偏轉器入射并傳播，滿足TO設計。

圖5：宏觀可見的Luneburg鏡頭的實驗演示

（a）具有中心孔（直徑5mm）的Luneburg透鏡樣品（直徑33mm）的照片；

（b）白色光束（紅色箭頭）沿y方向入射，入射位點為x方向（7，11，15mm），光束被重定向到輸出表面寬焦點位置；

（c-f）不同波長激光束（633nm，598nm，523nm和473nm）入射并重定向到輸出表面上類似的寬焦點位置。

【小結】

研究中的彈性光學超材料可用于開發具有很大的橫向面積、橫向厚度和體積的光學器件，超過傳統光學超材料器件尺寸許多數量級。該技術能夠精確地控制寬達10¹³λ³體積的寬帶光傳播（例如，10⁵λ×10⁵λ×10³λ）。使得自然光直接與超材料裝置相互作用，不再需要任何附加的耦合部件。

文獻鏈接：Shin D, Kim J, Kim C, et al. Scalable variable-index elasto-optic metamaterials for macroscopic optical components and devices[J]. Nature communications, 2017, 8: 16090.

本文由材料人編輯部周夢青編譯，點我加入材料人編輯部。

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