導(dǎo)讀

光學(xué)超構(gòu)表面通過(guò)構(gòu)建等離子體或全介質(zhì)的超構(gòu)結(jié)構(gòu)單元，為實(shí)現(xiàn)光的相位、振幅、頻率調(diào)控提供可調(diào)諧、緊湊型的平臺(tái)。超構(gòu)表面已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)平面光學(xué)元件，例如超薄超構(gòu)透鏡、超構(gòu)波片、光速波前整形、超構(gòu)偏振分束片、矢量全息成像等。隨著超構(gòu)表面新技術(shù)發(fā)展，為亞波長(zhǎng)尺度上實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)調(diào)控提供了豐富的手段，使得設(shè)計(jì)新型超薄平面光學(xué)元件成為可能。

盡管構(gòu)建亞波長(zhǎng)等離子體激元和全介質(zhì)納米天線是實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度光場(chǎng)調(diào)控的有效途徑。然而，由于光學(xué)調(diào)控基本原理的限制，超構(gòu)光學(xué)元件的厚度仍限制在數(shù)百乃至數(shù)十納米厚度，在可見(jiàn)光波段實(shí)現(xiàn)超薄結(jié)構(gòu)乃至原子層厚度超構(gòu)表面光場(chǎng)調(diào)控依然面臨挑戰(zhàn)。

背景

當(dāng)光強(qiáng)度消失時(shí)，通常伴隨產(chǎn)生光學(xué)奇點(diǎn)（singularity）現(xiàn)象，如常見(jiàn)的光學(xué)相位奇點(diǎn)和偏振奇點(diǎn)。光學(xué)相位奇點(diǎn)的拓?fù)湫袨闀?huì)引起許多有趣的物理現(xiàn)象，如跨越奇點(diǎn)附近的Heaviside光學(xué)突變和奇點(diǎn)附近的光場(chǎng)超靈敏特性。

拓?fù)浔Ｗo(hù)零反射又稱為“拓?fù)浒祽B(tài)奇點(diǎn)（topological darkness singularity）”是拓?fù)湎辔谎芯康闹匾A(chǔ)領(lǐng)域。研究者利用拓?fù)浒祽B(tài)奇點(diǎn)處相位突變，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超靈敏單分子探測(cè)使得探測(cè)精度提高了將近四個(gè)數(shù)量級(jí)。

在光場(chǎng)調(diào)控應(yīng)用中，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)超構(gòu)表面構(gòu)建光學(xué)反射奇異點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)典型的Heaviside型光學(xué)相位突變，從而使跨越奇點(diǎn)的結(jié)構(gòu)單元表現(xiàn)出顯著的相位延遲。

近日，暨南大學(xué)李向平教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合蒙納士大學(xué)鮑橋梁教授團(tuán)隊(duì)基于光學(xué)反射奇點(diǎn)誘導(dǎo)的相位突變行為實(shí)現(xiàn)了原子層厚度即波長(zhǎng)的百分之一的超構(gòu)表面光場(chǎng)調(diào)控。

該成果以“Atomically Thin Noble Metal Dichalcogenides for Phase-Regulated Meta-optics”為題發(fā)表Nano Letters。中南大學(xué)物理與電子學(xué)院王迎威博士，暨南大學(xué)學(xué)光子技術(shù)研究院鄧子嵐副教授和胡德驕博士為共同作者，暨南大學(xué)光子技術(shù)研究院李向平教授和蒙納士大學(xué)鮑橋梁教授為共同通訊作者。該工作還得到了新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授團(tuán)隊(duì)，中南大學(xué)何軍教授團(tuán)隊(duì)，電子科技大學(xué)彭波教授團(tuán)隊(duì)等合作者的參與支持。

亮點(diǎn)

圖1 原子層厚度二進(jìn)制超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)損耗輔助的顯著光學(xué)相位調(diào)制

本項(xiàng)研究通過(guò)合理的設(shè)計(jì)PtSe2-SiO2-Si多層納米結(jié)構(gòu)（如圖1），利用原子層厚度的二維材料強(qiáng)吸收損耗特性，在PtSe2-SiO2-Si區(qū)域和SiO2-Si區(qū)域之間，可以在共振波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)接近零反射的“拓?fù)涔鈱W(xué)奇點(diǎn)”或稱為臨界耦合點(diǎn)。理論上，PtSe2-SiO2-Si系統(tǒng)在共振頻率產(chǎn)生臨界耦合點(diǎn)的時(shí)，頂層二維材料PtSe2的臨界厚度為2.2 nm（如圖1 b）。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的兩種超構(gòu)單元PtSe2（4.3 nm）和PtSe2（0nm）產(chǎn)生的耦合模式剛好跨越臨界耦合點(diǎn)，在共振頻率位置兩種耦合模式可以有效實(shí)現(xiàn)接近π的顯著相位突變?；诖?，研究人員提出損耗輔助的超構(gòu)表面光場(chǎng)調(diào)控理論，該理論能夠有效的擴(kuò)展到其他的二維材料體系，有望通過(guò)損耗輔助理論實(shí)現(xiàn)多種超薄平面光學(xué)元件應(yīng)用。

利用這種損耗輔助的拓?fù)涔鈱W(xué)奇點(diǎn)相位調(diào)制機(jī)制，本研究還展示了該技術(shù)在全息成像器件和超構(gòu)透鏡中的應(yīng)用潛力 (如圖 2)。結(jié)合激光直寫技術(shù)在大面積二維硒化鉑結(jié)構(gòu)上構(gòu)建二元超構(gòu)表面。像素化二進(jìn)制超構(gòu)全息演示器件厚度僅為4.3 nm, 實(shí)際相位調(diào)制能力接近0.8 π,全息重構(gòu)圖像表現(xiàn)出優(yōu)異的保真度。由于奇點(diǎn)相位的拓?fù)浔Ｗo(hù)特性，超表面器件同時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)異的角度魯棒性。對(duì)比傳統(tǒng)全介質(zhì)全系器件，本研究中單位厚度衍射效率接近1%/nm的原子層厚度全息演示器件以及拓?fù)浔Ｗo(hù)的角度魯棒性表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，基于該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了接近光學(xué)極限的超構(gòu)透鏡。

圖2 原子層厚度二進(jìn)制超構(gòu)表面全息成像和超構(gòu)透鏡實(shí)驗(yàn)效果

應(yīng)用

當(dāng)前，各國(guó)納米光子學(xué)領(lǐng)域研究人員致力于開發(fā)高性能、微型化、可集成化的平面光學(xué)元件和設(shè)備?；谕?fù)浒祽B(tài)奇點(diǎn)實(shí)現(xiàn)超構(gòu)表面光場(chǎng)調(diào)控將為現(xiàn)有的平面光學(xué)器件設(shè)計(jì)提供全新的設(shè)計(jì)思路。同時(shí)，作為原子層厚度超構(gòu)表面光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)有望進(jìn)一步提平面光學(xué)器件的集成度和微型化，將在全息成像、超構(gòu)透鏡、光學(xué)存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力。