中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
N10組供稿
第14期
2021年02月18日
基于雙曲超材料實現多維調控的圖像顯示和分束器

  與自然界中已有的傳統材料相比,超材料(Metamaterials)是一種可人工設計、賦予奇異功能的材料,它能打破某些表觀自然規律的限制,實現如負折射、隱身、超衍射等新奇的物理現象或功能。超材料最早應用于微波波段,然而對于高頻波段,特別是如何利用超材料實現高效、寬頻段、多維度的光場調控,依舊面臨挑戰。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心纳米物理与器件重点实验室N10组的博士生胡莎、杜硕和顾长志研究員与微加工实验室李俊杰主任工程师等人合作,建立并完善了一种基于金属-氧化物纳米盘堆叠的超材料设计及加工方法,该构型的色散曲线呈现双曲特点,在可见、近红外等高频波段范围内具有宽带非共振、高有效折射率等优点。他们设计并制备了一种ZnO-Au堆叠的圆台型多层超材料,实现了宽波段、广角且入射偏振不敏感的完美吸收。通过电子束曝光和离子束刻蚀相结合加工出的这种双曲超材料,最高吸收率可达93.4%,且在2.5 μm-4.35μm宽波段范围内具有高于70%的吸收率(The Journal of Physical Chemistry C,123(2019)13846,Cover Story)。

  最近,他們基于雙曲超材料在可見波段多維度光學調控的設計方面實現了突破。對于Ag和ZnO納米片堆疊的雙曲超材料,他們通過數值仿真計算,模擬了一種可見波段的多維度可切換圖像存儲功能,並且通過三維級聯,設計了多維度圓偏振光束分離器。一方面,通過選擇具有不同偏振轉化性能的雙曲納米結構單元,獲得了具有“01”“10”“11”“00”狀態的像素點,並對其進行編碼設計,仿真了一種波長和偏振雙維度複用的可切換多圖像顯示。另一方面,通過對具有寬波段半波片功能的雙曲結構單元進行幾何相位排布,設計了寬波段的圓偏振分束器,並引入濾波器超表面與之集成,實現了空間和頻域兩個自由度的光束分離。这种集成光学器件兼具圆偏振转换与“三棱镜”的功能,且可实现可见波段的单波长四分之一波片功能,具有高效且宽波段的圆偏振转换及几何相位调控功能,为未来多功能光学器件的设计与集成奠定了基础。该项研究成果于2021年2月11日在线发表在Nano Letters (DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04795)上。

  以上工作得到了科技部、國家自然科學基金委員會和中國科學院的資助。

  文章鏈接:https://pubs.acs.org/articlesonrequest/AOR-JFEIP6CKTTK7UVP4ARZJ

图1.波长和偏振双重调控的可切换图像。(a)可切换图像的示意图;(b)在入射波长分别为666 nm和625 nm时,不同几何尺寸的HMM的同极化和交叉极化反射率;(c)入射波长为666 nm时的图像设计:左图案和中间图案分别是由同极化和交叉极化控制的图像(数字“ 4”和“ 7”),而右图案可确定多路复用图像的排布;(d)波长为666 nm入射光照射时,RCP分量(左)和LCP分量(右)的电场分布;(e)可切换图像在625 nm的RCP辐射下可解码为中间图案(由RCP检偏器确定)和右图案(由LCP检偏器确定);(f)波长为625 nm入射光照射时,RCP分量(左)和LCP分量(右)的电场分布。

图2. 基于3D集成超表面的多维度调控分束器。(a)滤波器与宽带分束器垂直堆叠而成的3D集成超表面的示意图;(b)滤波器超表面在不同周期(P)和半径下的透射光谱; (c)3D集成超表面在不同入射波长下的x-y平面电场分布: 529 nm,569 nm,635 nm和675 nm。