Nat. Commun.：超構表面構建紅外超寬帶消色差光學器件

風之翼 6年前 (2017-08-10) 6208瀏覽

【引言】

超構表面（Metasurface）是通過一薄層亞波長結構單元去局域地控制空間光場的相位、偏振、及強度等分布的光學設計。它可以有效地調控光的傳播性質，實現如聚焦、負折射、隱身地毯等功能，同時避免了在體塊超構材料（Metamaterial）內部傳播的巨大損耗，因而具有重要的應用前景。而且，超構表面的厚度僅在波長量級甚至更薄，具有優異的微納光學集成功能，比如其特有的平面結構，為研制平板透鏡等光學器件提供了全新的設計原理。

當前，人們已經展示了利用超構表面研制的平板超構透鏡（百納米量級厚度）可以媲美傳統光學顯微鏡鏡頭的成像效果（Science 352, 1911 (2016)）。不過，此類新原理設計真正走向應用還面臨幾項重要挑戰，材料色散及衍射效應導致的色差就是其中之一。如何實現器件的寬帶消色差是該領域大家公認的目標。圍繞這個目標，國際上正在開展激烈研究競賽。前人已報道的工作大多是通過參數優化方法實現幾個孤立波長的消色差。對于連續波段的消色差，目前報道最好結果僅是60nm（可見光波段，Nano Letters 17, 1819 (2017)）和140nm（近紅外波段，Optica 4, 625 (2017)）。其帶寬難以拓展的原因是傳統超構表面的結構單元所提供的參數空間很難同時滿足消色差透鏡所需的空域相位分布和頻域相位補償。因此，人們亟待發展出新的設計原理和方法來突破超構表面器件消色差帶寬的瓶頸。

【成果簡介】

近日來，南京大學祝世寧院士，李濤教授，王漱明副研究員（共同通訊作者）研究組聯合臺灣中央研究院蔡定平教授（共同通訊作者）研究組在寬帶消色差超構表面器件上取得重要進展，在Nat. Commun.上發表題為“Broadband achromatic optical metasurface devices”的文章，值得一提的是，這個消色差聚焦鏡的帶寬達到了450nm，已經接近中心波長的1/3，這是現有報道中最大的消色差帶寬，遠遠超出前人的結果。而且，這個方案不僅可以設計連續寬帶的超構表面聚焦鏡，還可以設計連續寬帶的超構表面反射板。在同樣的工作頻段，所有頻率的入射光束都可以以同一角度反射。他們提出集成共振的方案并與幾何相位結合，成功設計并演示了工作帶寬達到450納米的反射性超構透鏡消色差聚焦及定向反射，在超構表面器件的實用化邁出了重要一步。

【圖文導讀】

圖1：消色差金屬

a 傳統色差的超構透鏡和消色差超構透鏡的結構和聚焦示意圖

b 不同入射波長的BAGMS的相位分布

圖2：基于耦合納米棒的集成諧振單元元件的相位曲線

a,c,e 特殊排列的金屬納米棒結構與金屬反射鏡結合產生所需要的不同斜率線性相位補償

b,d,f 集成諧振單元元素的電場分布

圖3：寬帶無色會聚金屬線

a 根據設計實驗加工出的樣品光學顯微照片

b 入射波長λ= 1500nm處的焦點的測量光強度

c 放大掃描電子顯微鏡（SEM）制作的金屬化合物的圖像

d 實驗測量與理論模擬獲得消色差聚焦效果圖（工作波段：1200nm-1650nm，帶寬：450nm）

圖4：寬帶無色金屬光纖的性能

a 三種具有不同NA值的彩色金屬熒光體

b 彩色金屬熒光體的焦距

c 彩色金屬熒光體的半高全寬值，通過將測量的光強度沿著焦線擬合為高斯函數來估計被定義為0.5的歸一化光強度的束腰的FWHM。

d 聚焦效率

圖5：寬帶消色差梯度表面

a 使用BAGMS進行光束發射示意圖

b 不同入射波長的BAGMS的相位分布

c ?RCP到LCP散射光的模擬強度與各種入射波長下的反射角度。當入射波長從1200變化到1650nm時，反射角保持在22.26°左右

d ?BAGMS的SEM圖像

e （左）來自BAGMS的RCP到LCP散射光的實驗拍攝的CCD圖像。強度通過每個圖像中的最大值進行歸一化。（右）RCP到LCP（藍色曲線）和RCP-RCP（橄欖色曲線）組分的每個相應CCD圖像中心線的標準化散射光強度的橫截面

【小結】

他們首先將透鏡聚焦所需要的相位分解成兩部分，即：頻率無關的基礎相位和頻率相關的補償相位（與頻率成正比）。然后巧妙結合超構表面結構設計的兩種方案（共振性和幾何相位性），通過幾何相位設計聚焦透鏡需要的基礎相位分布，再通過共振設計補償不同頻率帶來的相位色散。需要特別強調的是，通常的共振帶來相位變化都是突變的，不滿足與頻率成正比的線性相位補償。本工作中，他們提出了新穎的“集成共振（integrate resonance）”方案，通過特殊排列的金屬棒的多個共振之間的線性相位區域，成功設計出滿足聚焦透鏡要求的一系列不同斜率的線性相位補償的結構單元，該團隊的設計在超構表面器件的實用化邁出了重要一步。

文獻鏈接：Broadband achromatic optical metasurface devices（Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-00166-7）

本文由材料人編輯部電子電工小組楊超整理編譯。

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本文的的團隊是南京大學祝世寧院士研究組中的等離激元光子學與集成光學小組，由李濤教授領導。其團隊在等離激元的經典調控和量子光學性質都有比較深入的研究，相關發表的文獻包括：

1.Multipltexed Holograms by Surface Plasmon Propagation and Polarizaed Scattering, Ji Chen, Tao Li*, Shuming Wang*, Shining Zhu, Nano Lett. DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02295.

2.A 14×14 um2 footprint polarization-encoded quantum controlled-NOT gate based on hybrid waveguide, S. M. Wang*, Q. Q. Cheng, Y. X. Gong, P. Xu, C. Sun, L. Li, T. Li* & S. N. Zhu*, Nature Communications | 7:11490 | DOI: 10.1038/ncomms11490 (2016).

3.Plasmonic polarization generator in well-routed beaming, L. Li, T. Li*, X. M. Tang, S. M. Wang, Q. J. Wang, and S. N. Zhu, Light: Science & Applications | 4, e330 (2015).

4.Topologically protected interface mode in plasmonic waveguide arrays, Q. Q. Cheng, Y. Pan, Q. Wang, T. Li*, and S. N. Zhu, Laser Photon. Rev | 9, 392 (2015).

5.Plasmonic switch based on composite interference in metallic strip waveguides, Y. Wang, T. Li,* L. Wang, H. He, L. Li, Q. Wang, and S. N. Zhu, Laser & Photonics Reviews | 8, L47 (2014).

6.Collimated Plasmon Beam: Nondiffracting versus Linearly Focused, L. Li,T. Li,*S. M. Wang, and S. N. Zhu, Phys. Rev. Lett. | 110, 046807 (2013).

7.Broad Band Focusing and Demultiplexing of In-Plane Propagating Surface Plasmons, L. Li,T. Li,*S. M. Wang, S. N. Zhu, X. Zhang, Nano Lett. | 11, 4357 (2011).