首次实现太赫兹偏振光自由旋转操控,从实验上利用人工金属-介质结构实现了宽频无色散的人工波片

我校王牧教授研究组最近在微结构材料研究中取得新进展,从实验上利用人工金属-介质结构实现了宽频无色散的人工波片,并首次给出了金属-介质结构实现无色散的一般性原理。该项研究工作2014年5月15日发表于PhysicalReviewX上。该论文的主要完成人是博士生蒋尚池,熊翔老师参与了样品实验和测试工作,彭茹雯教授对工作进行了指导,王牧教授是该论文的通讯作者。最近王牧教授研究组提出并实验上实现了金属-介质复合微结构实现宽频无色散的方法。与金属亚波长微结构的强烈色散不同,介质材料的光学性质在很宽的频率范围内变化很小。介质材料可以制备宽频器件,但是其空间厚度通常很大。该研究组巧妙地通过在金属微结构材料中引入介质层,综合了两种材料的优点,在亚波长的尺度下实现了对光偏振态的宽频带控制。他们将金属微结构设计在金属镜面上方,这样金属镜面对光的反射相当于形成了一个金属结构的镜像。金属结构和它镜像的辐射存在共轭关系,而金属结构与其镜像的距离是由介质层的厚度决定的。所以通过调节介质层的厚度,可以利用共轭关系来抵消金属的色散,从而实现宽频无色散的性质。他们通过这种方法设计并制备出了带宽为30%的四分之一波片和带宽高达67%的半波片,该带宽超过了目前已报导的其它由超构材料构成的波片。PhysicalReviewX是美国物理学会出版的网络刊物,每年只刊登100篇左右经过高度选择(highlyselective)和匿名评审的特别原创(exceptionaloriginal)的文章(http//journals.aps.org/prx/about),其内容的覆盖面包括纯粹物理、应用物理和交叉学科物理。该刊物2012年的IF因子是6.71。该项研究受到科技部973和量子调控项目、国家自然科学基金委和江苏省自然科学基金的资助。(物理学院蒋尚池、郝西萍)

图片 1

首次实现太赫兹偏振光自由旋转操控,从实验上利用人工金属-介质结构实现了宽频无色散的人工波片。首次实现太赫兹偏振光自由旋转操控,从实验上利用人工金属-介质结构实现了宽频无色散的人工波片。南京大学李涛/祝世宁研究组联合台湾中央研究院蔡定平研究组在宽带消色差超构表面器件上取得重要进展,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。

图片 2

首次实现太赫兹偏振光自由旋转操控,从实验上利用人工金属-介质结构实现了宽频无色散的人工波片。首次实现太赫兹偏振光自由旋转操控,从实验上利用人工金属-介质结构实现了宽频无色散的人工波片。首次实现太赫兹偏振光自由旋转操控,从实验上利用人工金属-介质结构实现了宽频无色散的人工波片。首次实现太赫兹偏振光自由旋转操控,从实验上利用人工金属-介质结构实现了宽频无色散的人工波片。首次实现太赫兹偏振光自由旋转操控,从实验上利用人工金属-介质结构实现了宽频无色散的人工波片。首次实现太赫兹偏振光自由旋转操控

首次实现太赫兹偏振光自由旋转操控,从实验上利用人工金属-介质结构实现了宽频无色散的人工波片。首次实现太赫兹偏振光自由旋转操控,从实验上利用人工金属-介质结构实现了宽频无色散的人工波片。首次实现太赫兹偏振光自由旋转操控,从实验上利用人工金属-介质结构实现了宽频无色散的人工波片。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。

首次实现太赫兹偏振光自由旋转操控,从实验上利用人工金属-介质结构实现了宽频无色散的人工波片。首次实现太赫兹偏振光自由旋转操控,从实验上利用人工金属-介质结构实现了宽频无色散的人工波片。首次实现太赫兹偏振光自由旋转操控,从实验上利用人工金属-介质结构实现了宽频无色散的人工波片。图一、宽带太赫兹光的高效率偏振旋转。

首次实现太赫兹偏振光自由旋转操控,从实验上利用人工金属-介质结构实现了宽频无色散的人工波片。首次实现太赫兹偏振光自由旋转操控,从实验上利用人工金属-介质结构实现了宽频无色散的人工波片。当前,人们已经展示了利用超构表面研制的平板超构透镜可以媲美传统光学显微镜镜头的成像效果。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我们公认的目标。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和140nm。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。

图二、利用宽带太赫兹偏振旋转器实现太赫兹成像。

图片 3

南京大学物理学院王牧教授和彭茹雯教授研究组与美国Argonne National
Laboratory黄先荣博士合作,成功地实现了太赫兹偏振光的自由旋转操控,他们的题为Freely
Tunable Broadband Polarization Rotator for Terahertz
Waves的论文最近在线发表于《Advanced Materials》上。

图1. 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。

近年来,太赫兹波及其相关技术很受人们重视,覆盖10^11-10^13赫兹的电磁波频率范围,在信息、生物和医学、国防安全等领域有广泛应用。但是商业化的太赫兹光源通常产生的是沿着特定偏振方向的线偏振光,实现太赫兹波段偏振光的自由旋转是实际应用中的迫切需求。传统上,人们利用液晶或双折射晶体来调控光的偏振方向,但是这样的方法仅局限于很窄的波段;2013年美国Los
Alamos National
Laboratory等研究人员提出并实验证实超构材料可以旋转宽带太赫兹波的偏振,但是人们依然无法自由地旋转宽带太赫兹波段的偏振。

近期,现代工程与应用科学学院李涛教授、祝世宁院士研究组与台湾中央研究院的蔡定平教授合作,在解决超构表面器件在连续宽频段上消色差的方面取得了重大进展。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。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。图2b显示了利用纳米加工制备的反射性超构透镜样品照片,整个镜片的直径约55微米。右侧电子显微镜照片反映出了该超构透镜的结构单元具有几何相位的旋转排布,以及不同纳米棒形状及数目的集成共振性质。

最近,南京大学物理学院王牧教授和彭茹雯教授研究组与美国Argonne National
Laboratory黄先荣博士合作,创新性地设计和制备出三层金属结构,首次证实该人工亚波长微结构能够将太赫兹波的偏振自由地旋转到任意方向,并且偏振转换效率在很宽的频段保持90%以上。这种近完美的太赫兹偏振旋转操控被太赫兹透射谱的测量以及太赫兹成像直接证实。同时,该研究组还揭示出此物理效应来源于人工微结构中的多波干涉。该工作首次实现了对太赫兹偏振光的自由旋转操控,在信息处理、材料分析、太赫兹成像等方面可望有重要的应用,正如《Advanced
Materials》的评审人所说,该研究工作是原创的、有趣的,
并且可能用于真实世界的应用。

图片 4

此项工作的实验部分主要由范仁浩博士完成,理论部分主要由博士生周昱完成,
他们是该论文的第一和第二作者。彭茹雯教授、黄先荣博士和王牧教授是该论文通讯作者。该项研究受到国家自然科学基金委以及科技部的重点资助。

图2.
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。根据设计实验加工出的样品光学显微照片和局部放大电子显微镜照片。

特别声明:本文转载仅仅是出于传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的来源,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜,请与我们接洽。

图片 5

图3.
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)。

接下来的光学测试获得的消色差效果与理论计算的结果符合的非常好。如图3所示,在1200nm到1650nm的波段中,得到了很好的消色差聚焦效果,焦距与理论设计基本一致。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,见图4。

图片 6

图4.
连续宽带消色差超构表面反射板示意图,不同频率相位差示意图,理论计算各种频率下消色差样品的反射角度,实验制备消色差反射板的SEM图,实验测试得到的反射效果。

该工作近日发表在NATURE COMMUNICATIONS 8, 187 (DOI:
10.1038/s41467-017-00166-7)。南京大学现代工程与应用科学学院研究员王漱明博士是论文的第一作者,台湾中央研究院的吴品颉博士和台湾大学的苏文生博士为并列第一作者,并列通讯作者是南京大学的李涛教授、王漱明研究员、祝世宁院士以及台湾中央研究院的蔡定平教授。该工作受到科技部重点研发计划(纳米专项和量子调控),国家自然科学基金创新群体项目、优秀青年基金、面上基金项目的支持,同时也感谢南京大学登峰人才计划的支持。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)