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南京大學(xué)與臺北聯(lián)合團隊:寬帶消色差超構(gòu)表面光學(xué)器件

星之球科技 來源:中國激光2017-08-30 我要評論(0 )   

南京大學(xué)李濤/祝世寧研究組聯(lián)合臺灣“中央”研究院蔡定平研究組在寬帶消色差超構(gòu)表面器件上取得重要進(jìn)展,他們提出集成共振的方案并與幾何相位結(jié)合。

南京大學(xué)李濤/祝世寧研究組聯(lián)合臺灣“中央”研究院蔡定平研究組在寬帶消色差超構(gòu)表面器件上取得重要進(jìn)展,他們提出集成共振的方案并與幾何相位結(jié)合,成功設(shè)計并演示了工作帶寬達(dá)到480 nm的反射性超構(gòu)透鏡消色差聚焦及定向反射,在超構(gòu)表面器件的實用化方面邁出了重要一步。

 
圖1  南京大學(xué)李濤課題組照片。右一:李濤教授; 右三:王漱明研究員
 
當(dāng)前的信息技術(shù)給人類生活帶來了日新月異的變化。光/光子是信息采集、傳輸和表達(dá)的重要載體,光學(xué)技術(shù)是人與信息交互中最廣泛也最為重要的手段。然而,受光學(xué)衍射極限、成像條件、材料光學(xué)參數(shù)等限制,傳統(tǒng)的光學(xué)元件通常具有宏觀尺度,對空間需求大,對環(huán)境穩(wěn)定性要求高。比如常見的由透鏡、分光鏡、反射鏡等構(gòu)建的光學(xué)系統(tǒng),因受光學(xué)材料色散、傍軸條件的限制,人們需要精心地設(shè)計組合透鏡元件,對色差、像差進(jìn)行矯正才能獲得良好的光學(xué)成像性能。這很難滿足人們對器件的便攜性、小型化、穩(wěn)定度等要求。
 
超構(gòu)表面(metasurface)是通過一薄層亞波長結(jié)構(gòu)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(xué)設(shè)計。它可以有效地調(diào)控光的傳播性質(zhì),實現(xiàn)如聚焦、負(fù)折射、隱身地毯等功能,同時避免了在體塊超構(gòu)材料(metamaterial)內(nèi)部傳播的巨大損耗,因而具有重要的應(yīng)用前景。而且,超構(gòu)表面的厚度僅在波長量級甚至更薄,具有優(yōu)異的微納光學(xué)集成功能。其特有的平面結(jié)構(gòu),為研制平板透鏡等光學(xué)器件提供了全新的設(shè)計原理。
 
目前,人們已經(jīng)展示了利用超構(gòu)表面研制的平板超構(gòu)透鏡(百納米量級厚度)可以媲美傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡鏡頭的成像效果。不過,此類新原理設(shè)計真正走向應(yīng)用還面臨幾項重要挑戰(zhàn),材料色散及衍射效應(yīng)導(dǎo)致的色差就是其中之一。
 
圖2  傳統(tǒng)色差的超構(gòu)透鏡和消色差超構(gòu)透鏡的結(jié)構(gòu)和聚焦示意圖
 
如何實現(xiàn)器件的寬帶消色差是該領(lǐng)域大家公認(rèn)的目標(biāo)。圍繞這個目標(biāo),國際上正在開展激烈的研究競賽。前人已報道的工作大多是通過參數(shù)優(yōu)化方法實現(xiàn)幾個孤立波長的消色差。對于連續(xù)波段的消色差,目前報道最好結(jié)果僅是60 nm(可見光波段 )和140 nm(近紅外波段)的帶寬。其帶寬難以拓展的原因是傳統(tǒng)超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)單元所提供的參數(shù)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(fā)展出新的設(shè)計原理和方法來突破超構(gòu)表面器件消色差帶寬的瓶頸。
 
近期,南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院李濤教授、祝世寧院士研究組與臺灣“中央”研究院蔡定平教授研究組合作,在解決超構(gòu)表面器件在連續(xù)寬頻段上消色差的方面取得了重大進(jìn)展。他們首先將透鏡聚焦所需要的相位分解成兩部分,即:與頻率無關(guān)的基礎(chǔ)相位和與頻率相關(guān)的補償相位(與頻率成正比)。然后巧妙結(jié)合超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)設(shè)計的兩種方案(共振性和幾何相位性),通過幾何相位設(shè)計聚焦透鏡需要的基礎(chǔ)相位分布,再通過共振設(shè)計補償不同頻率帶來的相位色散。
 
圖3 (a)特殊排列的金屬納米棒結(jié)構(gòu)與金屬反射鏡結(jié)合產(chǎn)生所需要的不同斜率線性相位補償;(b)根據(jù)設(shè)計實驗加工出的樣品光學(xué)顯微照片(左)和局部放大電子顯微鏡照片(右)
 
需要特別強調(diào)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”(integrated 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(qū)域,成功設(shè)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?shù)慕Y(jié)構(gòu)單元(見圖3a)。圖3b顯示了利用納米加工制備的反射性超構(gòu)透鏡樣品照片,整個鏡片的直徑約55 μm。右側(cè)電子顯微鏡照片反映出了該超構(gòu)透鏡的結(jié)構(gòu)單元具有幾何相位的旋轉(zhuǎn)排布,以及不同納米棒形狀及數(shù)目的集成共振性質(zhì)。
 
 
圖4 (a)實驗測量與(d)理論模擬獲得消色差聚焦效果圖
 
光學(xué)測試獲得的消色差效果與理論計算的結(jié)果符合得非常好。如圖4所示,在1200 nm到1650 nm的波段中,得到了很好的消色差聚焦效果,焦距與理論設(shè)計基本一致。值得一提的是,這個消色差聚焦鏡的帶寬達(dá)到了480 nm,已經(jīng)接近中心波長的1/3,這是現(xiàn)有報道中最大的消色差帶寬,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出前人的結(jié)果。而且,這個方案不僅可以設(shè)計連續(xù)帶寬的超構(gòu)表面聚焦鏡,還可以設(shè)計連續(xù)帶寬的超構(gòu)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,見圖5。
 
 
圖5 (a)連續(xù)寬帶消色差超構(gòu)表面反射板示意圖;(b)不同頻率相位差示意圖;(c)理論計算各種頻率下消色差樣品的反射角度;(d)實驗制備消色差反射板的SEM圖;(e)實驗測試得到的反射效果
 
圖6  南京大學(xué)王漱明研究員(左)與臺灣“中央”研究院蔡定平教授(右)合影。
 
該工作近日發(fā)表在 NATURE COMMUNICATIONS  [8, 187 (2017)] 上。南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院研究員王漱明博士是論文的第一作者,臺灣“中央”研究院的吳品頡博士和臺灣大學(xué)的蘇文生博士為并列第一作者,并列通訊作者是南京大學(xué)的李濤教授、王漱明研究員、祝世寧院士以及臺灣“中央”研究院的蔡定平教授。
 
論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41467-017-00166-7

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南京大學(xué)光學(xué)器件超構(gòu)表面
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