西安光机所光学超透镜研究取得进展

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人工微结构超表面的提出,为人类操控光提供了新的自由度。这种超表面可以实现位置依赖的相位梯度分布,即使在入射光角度固定的前提下,仅改变材料表面的相位梯度值,也可以简单操控透射光的方向。不仅如此,通过对材料微纳结构的设计,可以获得任意的相位分布。与那些需要依靠相位积累来实现塑造波前的传统光学器件相比,这种梯度渐变超表面将具有更加丰富的光学性质,并在光束偏转、超分辨成像、平面透镜、全息成像等领域表现出了极大的研究价值和广泛的应用前景。

近期,中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室微纳光子集成课题组利用单层超透镜实现了左、右旋圆偏振光在三维空间的分离聚焦,打破了以往自旋相关光束聚焦的对称性,超越了传统几何光学透镜的光场聚焦能力,对光学成像研究具有重要意义。

在光学结构和器件的研究领域,对光强度的调控能力(即光反射或者折射的效率)是一个非常重要的指标。然而对于超表面结构来说,依赖结构单元的散射实现的异常斯涅耳定律效应,其反射和折射效率都远低于在常规界面处发生的传统反射和折射的效率。尽管通过一些复杂的设计可以改善这一问题,比如在结构单元之间增加光栅结构以提高效率或者利用多层金属/介质结构以提高光控制能力,但是这样的设计增加了制备工艺的复杂程度,并且使其对几何尺寸误差的容忍度降低。利用超表面实现对圆偏振电磁波的透射波和反射波的相位和振幅的调控是超表面应用的基础,但是基于目前方法产生的异常偏转波束的效率很低,而且工作波段非常窄,这是超表面在应用方面所面临的重要问题。

传统几何光学透镜仅是通过玻璃厚度的变化来调节入射光相位实现聚焦,无法完成矢量光场的操控。超透镜是一种二维平面透镜结构,其体积极小,重量轻,易于集成,可实现对入射光振幅、相位、偏振等参量的灵活调控,在超分辨显微成像、全息光学、消色差透镜等方面有重要应用。该研究利用构成超透镜的纳米天线动力学相位与Pancharatnam-Berry几何相位结合的方法,通过巧妙设计超透镜上纳米天线几何结构与空间取向,在单层超透镜上同时实现了左、右旋圆偏振光相位的独立操控,在横向和径向完成了不同自旋态光束的聚焦,提升了超透镜的光束操控及聚焦能力,具有结构紧凑、灵活性强等优点,能够满足光学系统及器件小型化功能多样化的要求。

最近中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室微加工实验室在人工超表面结构的设计、加工及光学特性调控等方面取得一系列进展,研究结果发表在Light:Science
& Applications
(2015, 4, e308) 和澳门新萄京5566com,Advanced Functional Materials(2015,
25,
704)。在此基础上,该实验室的工程师刘哲、唐成春以及研究员李俊杰、顾长志与南开大学物理科学学院教授田建国和副教授陈树琪等合作,利用纳米天线对于入射光波偏振态调制的特性,证明了调制效率与纳米天线物理特性的关系,设计和提出了多棒纳米天线超表面结构,并利用纳米加工技术实现了样品的制备。研究结果表明多棒纳米天线超表面结构具有的等离子激元杂化和耦合,使得该超表面结构在调制效率和调制频率范围上得到了成倍的提升,更接近理论上的极限值,突破了可见光和近红外波段超表面效率低所面临的重大挑战。同时,由于该超表面具有改变圆偏振光偏振特性,因此该结构器件能够广泛应用于偏振检测、偏振分束、相干调制等纳米光学以及光子学领域。相关研究结果作为Inside
back cover
发表在Advanced Functional Materials 2015, 25, 5428-5434上。

该研究得到中科院战略性先导科技专项“大规模光子集成芯片”和国家自然科学基金项目的大力资助。相关成果发表在《先进光学材料》(Advanced
Optical Materials
)上。

该系列项工作得到了国家自然科学基金“纳米制造基础研究”重大研究计划重点及集成项目、面上基金和中国科学院的支持。

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