撰稿 | Brooke（中科院長(zhǎng)春光機(jī)所）

超表面是一種由平面型人工原子按特定宏觀排列方式構(gòu)建而成的二維超材料，能夠在亞波長(zhǎng)尺度下調(diào)控光波的振幅，相位和偏振等特性，已經(jīng)展示了豐富的光波調(diào)控能力，如光波異常偏折、色散補(bǔ)償、超透鏡成像、全息成像等等。超表面還具有損耗低、可制備、易集成等特點(diǎn)，成為電磁波調(diào)控研究的新平臺(tái)。

盡管超表面具有優(yōu)異的光波調(diào)控能力，但調(diào)控效率低一直是光學(xué)超表面的瓶頸問(wèn)題之一，這也成為制約光學(xué)超表面走向?qū)嵱没踔辽虡I(yè)化的關(guān)鍵因素。異常偏折（如圖 1）是超表面調(diào)控光波最基本的方式之一，也是各種復(fù)雜光波調(diào)控和應(yīng)用的基礎(chǔ)，如超透鏡、光譜儀、激光雷達(dá)等。目前光學(xué)超表面器件的異常偏折效率低于 90%，難以滿足其在激光領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)效率優(yōu)于 99% 的需求，亟待突破異常偏折效率的科學(xué)認(rèn)識(shí)，創(chuàng)新調(diào)控方法，獲得光頻完美異常偏折器件。

圖 1：均勻分界面的折反射和超表面的異常偏折

超表面異常偏折效率的科學(xué)認(rèn)識(shí)主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段：早期研究利用相位梯度控制光束異常偏折的方向[1]，[2]，但僅考慮相位梯度無(wú)法給出光束異常偏折的多少，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)效率接近 100% 的完美異常偏折；近期研究指出完美異常偏折需要相位和振幅的協(xié)同調(diào)控[3]，[4]，特別是振幅調(diào)控需要在超表面不同區(qū)域同時(shí)實(shí)現(xiàn)增益和損耗，這對(duì)光頻超表面異常偏折的設(shè)計(jì)提出了全新的挑戰(zhàn)，尚無(wú)解決方案。

鑒于此，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院 程鑫彬 教授和 王占山 教授聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系 周磊教授，從完美異常反射的物理要求出發(fā)，首先闡明了完美異常反射所需要的能流分布形式，提出了一維多層膜結(jié)合二維超表面的準(zhǔn)三維亞波長(zhǎng)新結(jié)構(gòu)，通過(guò)準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)內(nèi)傳輸波和布洛赫波的高效耦合，增強(qiáng)了多重散射并提高了非局域能流調(diào)控能力，在 1550 納米實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上效率最高的、效率優(yōu)于 99% 的光頻異常反射。

該成果以“Perfect anomalous reflectors at optical frequencies”為題發(fā)表在 Science Advances 期刊。同濟(jì)大學(xué) 王占山 教授，復(fù)旦大學(xué) 周磊 教授，同濟(jì)大學(xué) 程鑫彬 教授為論文共同通訊作者，同濟(jì)大學(xué)博士后 何濤，復(fù)旦大學(xué)博士研究生 劉通 為論文的共同一作，對(duì)論文具有突出貢獻(xiàn)的合作者還包括上海大學(xué) 肖詩(shī)逸 教授，同濟(jì)大學(xué) 魏澤勇 副教授。

論文首先從完美異常反射的物理要求出發(fā)，給出了實(shí)現(xiàn)完美異常反射的能流分布要求：抑制能流分布的二階項(xiàng)，同時(shí)匹配一階項(xiàng)（如圖 2）。在一個(gè)無(wú)源且無(wú)損耗的無(wú)透射系統(tǒng)中，可以使用系統(tǒng)內(nèi)部的橫向能流調(diào)控來(lái)獲得所需的能流分布。

圖 2：完美異常反射的能流分布要求

傳統(tǒng)的金屬超表面和介質(zhì)超表面受限于吸收（透射）損耗和（或）橫向能流調(diào)控能力不足，難以實(shí)現(xiàn)完美異常反射。論文提出了一維多層膜結(jié)合二維超表面的準(zhǔn)三維亞波長(zhǎng)新結(jié)構(gòu)，由于電磁波與結(jié)構(gòu)的相互作用，入射光被高效地耦合進(jìn)超表面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的布洛赫波和間隔層內(nèi)部的傳輸波中，通過(guò)控制不同階數(shù)電磁波復(fù)雜的多重散射，增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)橫向能流的調(diào)控能力，如圖 3 所示。進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)內(nèi)的場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)可以利用多層膜的反射振幅和相位對(duì)布洛赫波及傳輸波產(chǎn)生的橫向能流進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)完美異常反射需要的能流分布。

圖 3：準(zhǔn)三維亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)完美異常反射：利用多層膜的振幅和相位調(diào)控橫向能流

以正入射情況下的 40° 完美異常反射為例，介紹了準(zhǔn)三維亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)完美異常反射的設(shè)計(jì)理念和方法?？紤]到 40° 完美異常反射的相位要求仍然接近線性梯度且需要抑制透射損耗，因此采用梯度超表面和高反射薄膜作為初始結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)改變多層膜的相位響應(yīng) ?? 和 ?? 來(lái)實(shí)現(xiàn)完美異常反射所需的能流分布。設(shè)計(jì)了符合反射振幅和相位要求的多層膜與超表面構(gòu)成的準(zhǔn)三維亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了效率優(yōu)于 99% 的光頻異常反射（如圖 4）。使用磁控濺射技術(shù)制備了多層膜和電子束直寫(xiě)技術(shù)制造了超表面，得到了結(jié)構(gòu)如圖 4 的準(zhǔn)三維亞波長(zhǎng)器件樣品，樣品異常偏折的測(cè)試效率高達(dá) 98%。實(shí)驗(yàn)和理論設(shè)計(jì)吻合良好，這也驗(yàn)證了制備和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖 4：樣品 SEM 側(cè)視圖以及截面圖和光譜測(cè)試結(jié)果

論文在 1550 納米實(shí)現(xiàn)了迄今為止國(guó)際上最高的光頻異常反射效率。除此之外，論文還設(shè)計(jì)了偏振無(wú)關(guān)和偏振選擇的完美異常反射器件，展示了準(zhǔn)三維亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)大的效率調(diào)控能力和潛力。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)，上海推進(jìn)科技創(chuàng)新中心建設(shè)辦公室，上海市教育委員會(huì)，上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的支持。

圖 5：光頻異常反射效率對(duì)比 [5]， [6]， [7]， [8]， [9]， [10]

前景展望

該工作以光學(xué)超表面實(shí)用化的需求為導(dǎo)向，解決了“效率低”這個(gè)限制其走向應(yīng)用的“卡脖子”問(wèn)題，有望推動(dòng)基于光學(xué)超表面的微型光譜儀、輕薄激光雷達(dá)等儀器裝備的跨越式發(fā)展。

論文信息

He T, Liu T, Xiao S, Wei Z, Wang Z, Zhou L, et al. Perfect anomalous reflectors at optical frequencies. Sci. Adv. 2022, 8(9): eabk3381.

https://doi.org/10.1126/sciadv.abk3381

參 考 文 獻(xiàn) 

1. Yu N, Genevet P, Kats MA, Aieta F, Tetienne J-P, Capasso F, et al. Light Propagation with Phase Discontinuities: Generalized Laws of Reflection and Refraction. Science 2011, 334(6054): 333-337.

2. Sun S, He Q, Xiao S, Xu Q, Li X, Zhou L. Gradient-index meta-surfaces as a bridge linking propagating waves and surface waves. Nat Mater 2012, 11(5): 426-431.

3. Estakhri NM, Alu A. Wave-front Transformation with Gradient Metasurfaces. Phys. Rev. X 2016, 6(4): 041008.

4. Díaz-Rubio A, Asadchy VS, Elsakka A, Tretyakov SA. From the generalized reflection law to the realization of perfect anomalous reflectors. Sci. Adv. 2017, 3(8): e1602714.

5. Pors A, Albrektsen O, Radko IP, Bozhevolnyi SI. Gap plasmon-based metasurfaces for total control of reflected light. Sci. Rep. 2013, 3(1): 1-6.

6. Li ZY, Palacios E, Butun S, Aydin K. Visible-Frequency Metasurfaces for Broadband Anomalous Reflection and High-Efficiency Spectrum Splitting. Nano Lett. 2015, 15(3): 1615-1621.

7. Sun S, Yang KY, Wang CM, Juan TK, Chen WT, Liao CY, et al. High-efficiency broadband anomalous reflection by gradient meta-surfaces. Nano Lett. 2012, 12(12): 6223-6229.

8. Gao S, Yue W, Park C-S, Lee S-S, Kim E-S, Choi D-Y. Aluminum Plasmonic Metasurface Enabling a Wavelength-Insensitive Phase Gradient for Linearly Polarized Visible Light. ACS Photonics 2017, 4(2): 322-328.

9. Gao S, Lee SS, Kim ES, Choi DY. Vertically integrated visible and near-infrared metasurfaces enabling an ultra-broadband and highly angle-resolved anomalous reflection. Nanoscale 2018, 10(26): 12453-12460.

10. Asadchy VS, Wickberg A, Diaz-Rubio A, Wegener M. Eliminating Scattering Loss in Anomalously Reflecting Optical Metasurfaces. ACS Photonics 2017, 4(5): 1264-1270.

歡迎課題組投稿——新聞稿

轉(zhuǎn)載/合作/課題組投稿，微信：447882024

帶您每天讀1篇文獻(xiàn)！加入>Light讀書(shū)會(huì)