超表面对电磁波的相位调控及其在微纳光子学中的应用

相位是电磁波的基本属性之一,传统光学元件需要空间变化的折射率或表面变化的几何形状以获取需要的相位累积。但是,受限于自然界材料有限的介电常数及磁导率,传统光学元件通常具有弯曲的表面形状,由此带来的大体积及质量却阻碍了现代光学系统的集成及小型化发展需求。此外,现代光子学应用所需要的多功能元器件由于其相位在空间的复杂变化而难以用传统的相位积累式的光学元件实现。因此,可在光学厚度下、实现亚波长分辨率空间相位变化的超表面成为了近些年来的研究热点。超表面不仅突破了传统光学元件的限制,还表现出了更加优良的性能及应用潜力。

近日,南开大学陈树琪教授研究团队对近年来基于相位调控的超表面及其应用的研究进展进行了总结。该综述从超表面实现2π的物理机制出发,将不同的机制分成了三种基本形式—谐振相位(改变谐振响应)、贝里相位(依靠结构旋转)及传输相位(形成波导模式),每种相位机制又可分为等离激元超表面、电介质超表面以及非线性超表面。在应用部分首先总结了利用基于相位调控的超表面实现的基础应用,包括光束偏折器、超透镜、波片、涡旋光、隐身斗篷、幻像超表面、无衍射光以及激发和调控表面波。随后又对能容纳更大信息容量、能实现多功能以满足现代光子学发展需求的超表面进行了总结,包括超全息(包括单色及复色超全息)、编码超表面(包括基础编码超表面、可编程编码超表面以及编码超表面的信息处理)以及多功能超表面(包括分段式、交错式以及谐振式的多功能超表面)。最后,该综述对于基于相位调控超表面的几个有发展应用潜力的方面进行了展望,包括基于波导的超表面、动态可重构超表面、高转化效率非线性超表面以及量子超表面。该综述对基于相位调控的超表面从物理机制到应用前景以及未来展望进行了系统地总结,对于深入了解基于相位调控的超表面具有重要的指导作用。相关综述文章发表在Advanced Optical Materials(DOI:10.1002/adom.201800104)上。

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