Nat. Commun.：超构表面构建红外超宽带消色差光学器件

风之翼 7年前 (2017-08-10) 7012浏览

【引言】

超构表面（Metasurface）是通过一薄层亚波长结构单元去局域地控制空间光场的相位、偏振、及强度等分布的光学设计。它可以有效地调控光的传播性质，实现如聚焦、负折射、隐身地毯等功能，同时避免了在体块超构材料（Metamaterial）内部传播的巨大损耗，因而具有重要的应用前景。而且，超构表面的厚度仅在波长量级甚至更薄，具有优异的微纳光学集成功能，比如其特有的平面结构，为研制平板透镜等光学器件提供了全新的设计原理。

当前，人们已经展示了利用超构表面研制的平板超构透镜（百纳米量级厚度）可以媲美传统光学显微镜镜头的成像效果（Science 352, 1911 (2016)）。不过，此类新原理设计真正走向应用还面临几项重要挑战，材料色散及衍射效应导致的色差就是其中之一。如何实现器件的宽带消色差是该领域大家公认的目标。围绕这个目标，国际上正在开展激烈研究竞赛。前人已报道的工作大多是通过参数优化方法实现几个孤立波长的消色差。对于连续波段的消色差，目前报道最好结果仅是60nm（可见光波段，Nano Letters 17, 1819 (2017)）和140nm（近红外波段，Optica 4, 625 (2017)）。其带宽难以拓展的原因是传统超构表面的结构单元所提供的参数空间很难同时满足消色差透镜所需的空域相位分布和频域相位补偿。因此，人们亟待发展出新的设计原理和方法来突破超构表面器件消色差带宽的瓶颈。

【成果简介】

近日来，南京大学祝世宁院士，李涛教授，王漱明副研究员（共同通讯作者）研究组联合台湾中央研究院蔡定平教授（共同通讯作者）研究组在宽带消色差超构表面器件上取得重要进展，在Nat. Commun.上发表题为“Broadband achromatic optical metasurface devices”的文章，值得一提的是，这个消色差聚焦镜的带宽达到了450nm，已经接近中心波长的1/3，这是现有报道中最大的消色差带宽，远远超出前人的结果。而且，这个方案不仅可以设计连续宽带的超构表面聚焦镜，还可以设计连续宽带的超构表面反射板。在同样的工作频段，所有频率的入射光束都可以以同一角度反射。他们提出集成共振的方案并与几何相位结合，成功设计并演示了工作带宽达到450纳米的反射性超构透镜消色差聚焦及定向反射，在超构表面器件的实用化迈出了重要一步。

【图文导读】

图1：消色差金属

a 传统色差的超构透镜和消色差超构透镜的结构和聚焦示意图

b 不同入射波长的BAGMS的相位分布

图2：基于耦合纳米棒的集成谐振单元元件的相位曲线

a,c,e 特殊排列的金属纳米棒结构与金属反射镜结合产生所需要的不同斜率线性相位补偿

b,d,f 集成谐振单元元素的电场分布

图3：宽带无色会聚金属线

a 根据设计实验加工出的样品光学显微照片

b 入射波长λ= 1500nm处的焦点的测量光强度

c 放大扫描电子显微镜（SEM）制作的金属化合物的图像

d 实验测量与理论模拟获得消色差聚焦效果图（工作波段：1200nm-1650nm，带宽：450nm）

图4：宽带无色金属光纤的性能

a 三种具有不同NA值的彩色金属荧光体

b 彩色金属荧光体的焦距

c 彩色金属荧光体的半高全宽值，通过将测量的光强度沿着焦线拟合为高斯函数来估计被定义为0.5的归一化光强度的束腰的FWHM。

d 聚焦效率

图5：宽带消色差梯度表面

a 使用BAGMS进行光束发射示意图

b 不同入射波长的BAGMS的相位分布

c RCP到LCP散射光的模拟强度与各种入射波长下的反射角度。当入射波长从1200变化到1650nm时，反射角保持在22.26°左右

d BAGMS的SEM图像

e （左）来自BAGMS的RCP到LCP散射光的实验拍摄的CCD图像。强度通过每个图像中的最大值进行归一化。（右）RCP到LCP（蓝色曲线）和RCP-RCP（橄榄色曲线）组分的每个相应CCD图像中心线的标准化散射光强度的横截面

【小结】

他们首先将透镜聚焦所需要的相位分解成两部分，即：频率无关的基础相位和频率相关的补偿相位（与频率成正比）。然后巧妙结合超构表面结构设计的两种方案（共振性和几何相位性），通过几何相位设计聚焦透镜需要的基础相位分布，再通过共振设计补偿不同频率带来的相位色散。需要特别强调的是，通常的共振带来相位变化都是突变的，不满足与频率成正比的线性相位补偿。本工作中，他们提出了新颖的“集成共振（integrate resonance）”方案，通过特殊排列的金属棒的多个共振之间的线性相位区域，成功设计出满足聚焦透镜要求的一系列不同斜率的线性相位补偿的结构单元，该团队的设计在超构表面器件的实用化迈出了重要一步。

文献链接：Broadband achromatic optical metasurface devices（Nat. Commun., 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-00166-7）

本文由材料人编辑部电子电工小组杨超整理编译。

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本文的的团队是南京大学祝世宁院士研究组中的等离激元光子学与集成光学小组，由李涛教授领导。其团队在等离激元的经典调控和量子光学性质都有比较深入的研究，相关发表的文献包括：

1.Multipltexed Holograms by Surface Plasmon Propagation and Polarizaed Scattering, Ji Chen, Tao Li*, Shuming Wang*, Shining Zhu, Nano Lett. DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02295.

2.A 14×14 um2 footprint polarization-encoded quantum controlled-NOT gate based on hybrid waveguide, S. M. Wang*, Q. Q. Cheng, Y. X. Gong, P. Xu, C. Sun, L. Li, T. Li* & S. N. Zhu*, Nature Communications | 7:11490 | DOI: 10.1038/ncomms11490 (2016).

3.Plasmonic polarization generator in well-routed beaming, L. Li, T. Li*, X. M. Tang, S. M. Wang, Q. J. Wang, and S. N. Zhu, Light: Science & Applications | 4, e330 (2015).

4.Topologically protected interface mode in plasmonic waveguide arrays, Q. Q. Cheng, Y. Pan, Q. Wang, T. Li*, and S. N. Zhu, Laser Photon. Rev | 9, 392 (2015).

5.Plasmonic switch based on composite interference in metallic strip waveguides, Y. Wang, T. Li,* L. Wang, H. He, L. Li, Q. Wang, and S. N. Zhu, Laser & Photonics Reviews | 8, L47 (2014).

6.Collimated Plasmon Beam: Nondiffracting versus Linearly Focused, L. Li,T. Li,*S. M. Wang, and S. N. Zhu, Phys. Rev. Lett. | 110, 046807 (2013).

7.Broad Band Focusing and Demultiplexing of In-Plane Propagating Surface Plasmons, L. Li,T. Li,*S. M. Wang, S. N. Zhu, X. Zhang, Nano Lett. | 11, 4357 (2011).