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納米物理與器件重點實驗室N10組的博士生胡莎、杜碩和顧長志研究員與微加工實驗室李俊杰主任工程師等人合作,建立并完善了一種基于金屬-氧化物納米盤堆疊的超材料設計及加工方法,該構型的色散曲線呈現雙曲特點,在可見、近紅外等高頻波段范圍內具有寬帶非共振、高有效折射率等優點。他們設計并制備了一種ZnO-Au堆疊的圓臺型多層超材料,實現了寬波段、廣角且入射偏振不敏感的完美吸收。通過電子束曝光和離子束刻蝕相結合加工出的這種雙曲超材料,最高吸收率可達93.4%,且在2.5 μm-4.35μm寬波段范圍內具有高于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,并且通過三維級聯,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,并對其進行編碼設計,仿真了一種波長和偏振雙維度復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,并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。這種集成光學器件兼具圓偏振轉換與“三棱鏡”的功能,且可實現可見波段的單波長四分之一波片功能,具有高效且寬波段的圓偏振轉換及幾何相位調控功能,為未來多功能光學器件的設計與集成奠定了基礎。該項研究成果于2021年2月11日在線發表在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

圖1.波長和偏振雙重調控的可切換圖像。(a)可切換圖像的示意圖;(b)在入射波長分別為666 nm和625 nm時,不同幾何尺寸的HMM的同極化和交叉極化反射率;(c)入射波長為666 nm時的圖像設計:左圖案和中間圖案分別是由同極化和交叉極化控制的圖像(數字“ 4”和“ 7”),而右圖案可確定多路復用圖像的排布;(d)波長為666 nm入射光照射時,RCP分量(左)和LCP分量(右)的電場分布;(e)可切換圖像在625 nm的RCP輻射下可解碼為中間圖案(由RCP檢偏器確定)和右圖案(由LCP檢偏器確定);(f)波長為625 nm入射光照射時,RCP分量(左)和LCP分量(右)的電場分布。

圖2. 基于3D集成超表面的多維度調控分束器。(a)濾波器與寬帶分束器垂直堆疊而成的3D集成超表面的示意圖;(b)濾波器超表面在不同周期(P)和半徑下的透射光譜; (c)3D集成超表面在不同入射波長下的x-y平面電場分布: 529 nm,569 nm,635 nm和675 nm。