蘇州納米所張興旺團(tuán)隊(duì):將光學(xué)超表面的厚度推向極限
緊湊、輕薄的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)器件的厚度提出了更高的要求。近年來(lái),介質(zhì)光學(xué)超表面由于可以在亞波長(zhǎng)尺度下對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行操控,因此在輕薄光學(xué)器件中具有廣泛的應(yīng)用前景。然而受限于相位調(diào)控對(duì)厚度的要求,當(dāng)前介質(zhì)光學(xué)超表面的厚度通常限制在百納米量級(jí)。為了打破相位調(diào)控對(duì)厚度的限制,近日中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所張興旺團(tuán)隊(duì)的周嘉欣等人借助二維半導(dǎo)體激子效應(yīng)產(chǎn)生的高折射率和導(dǎo)模諧振增強(qiáng)相位調(diào)控的原理,成功地在實(shí)驗(yàn)上將光學(xué)超表面的厚度推進(jìn)至35 nm。相關(guān)成果已于近日在Nano Letters上在線(xiàn)發(fā)表。
此前,該團(tuán)隊(duì)的周嘉欣和黃迪等人在光子晶體結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了一種可以工作在極限厚度下的高品質(zhì)因子導(dǎo)模諧振,為極限厚度下的光場(chǎng)調(diào)控奠定了基礎(chǔ)(圖1)。(Optics Letters?49,3990-3993 (2024))

圖1.極限厚度下的高品質(zhì)因子導(dǎo)模諧振
利用該導(dǎo)模諧振對(duì)光場(chǎng)調(diào)控的增強(qiáng)作用,該團(tuán)隊(duì)的王櫟灃等人通過(guò)打破面內(nèi)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性,實(shí)現(xiàn)了光學(xué)雙折射諧振型超表面,并基于此在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了厚度僅為50 nm的四分之一波片(圖2)。(Laser & Photonics Reviews 18 (6),2301088 (2024))

圖2.厚度僅為50 nm的超表面四分之一波片
進(jìn)一步地利用導(dǎo)模諧振特有的光子能帶結(jié)構(gòu),該團(tuán)隊(duì)的周嘉欣等人提出一種諧振型超表面,并引入幾何相位調(diào)控,在布里淵區(qū)操縱光子能帶結(jié)構(gòu),產(chǎn)生具有高色散的空間變化相位操控。依據(jù)相位梯度關(guān)系,光子能帶發(fā)生圓偏振依賴(lài)的復(fù)制與平移,垂直入射的圓偏振光將帶間躍遷至交叉偏振態(tài)能帶上,偏振態(tài)和動(dòng)量都發(fā)生改變,最終實(shí)現(xiàn)圓偏振選擇性的光束偏轉(zhuǎn)功能(圖3)。 (ACS Photonics 11,2707?2712(2024))

圖3. 諧振型光子器件中的能帶調(diào)控工程
基于以上的研究基礎(chǔ),該團(tuán)隊(duì)的周嘉欣等人利用二維半導(dǎo)體激子效應(yīng)所產(chǎn)生的高折射率,在極限厚度下實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因子導(dǎo)模諧振。進(jìn)一步地利用導(dǎo)模諧振增強(qiáng)偏振轉(zhuǎn)換效率,基于幾何相位調(diào)控原理,實(shí)現(xiàn)了厚度僅為35 nm的諧振型相位梯度超表面,并且在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了偏振分束器、超透鏡和全息顯示功能,為更高密度的光學(xué)器件集成提供了更多的可能性(圖4)。(https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02439)

圖4. 厚度僅為35 nm的相位梯度超表面及其在全息顯示上的應(yīng)用
以上研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、蘇州市科學(xué)技術(shù)局、江蘇省科技廳、江蘇省卓越博士后計(jì)劃等項(xiàng)目的支持,同時(shí)也得到了中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站(Nano-X)、納米加工平臺(tái)的支持。
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