Small Methods:超表面的基本原理和应用

smtd201600064-gra-0001-m光集成器件是目前信息通讯和计算的重要组成部分。随着科技的发展,人们对信息的处理和计算速度要求越来越高,这就要求光器件往小型化方向发展。而传统的基于自然材料和人工三维超材料(metamaterial)的光学器件存在着尺度大,效率低等问题。如何在亚波长尺度实现高效的电磁光学器件是一个重要研究课题。

超表面(metasurface)是由具有特殊电磁属性的人工原子按照一定的排列方式组成的二维平面结构,可实现对入射光的振幅,相位,偏振等灵活的调控,具有强大的光场操控能力,因此受到人们的广泛关注,并逐渐成为一个热门研究方向。和超材料相比,超表面不仅了突破了传统材料电磁属性,其二维平面结构还克服超材料三维结构加工难度大等问题,为纳米光学器件集成化,小型化提供便利。超表面在偏振转换,全息成像,超薄透镜,光束偏转等方面具有广泛的应用前景。近日,国立台湾大学蔡定平教授及其科研团队综述了超表面的基本原理,加工手段及各种应用。

作者首先从广义的斯涅耳定理出发,介绍了超表面引入的相位不连续对光场波前的调制原理。常见的超表面结构包括:多共振结构,gap-plasmon结构以及依赖于Pancharatnam–Berry相位的结构。对于透射型超表面结构,他们归纳了几种可以增大透射率的结构,如惠更斯超表面,全电介质和高对比度的电介质超表面等。接着,作者介绍了超表面加工技术,从最常见的光刻,电子束曝光和聚焦离子束刻蚀方法,到最新的自组装和纳米压印光刻等技术。最后,作者综述了超表面在实现光学器件方面的应用,包括偏振控制和波前调制,如四分之一波片,二分之一波片,人工超薄透镜,全息成像,涡旋光束产生等。得益于纳米加工技术的发展,人们在低成本,大面积,高速的制备超表面光器件方面越来越成熟。此外,通过引入功能性材料制作动态可调的,可重构的超表面器件,则可实现更广泛的应用。相关文章发表在Small Methods(DOI:10.1002/smtd.201600064)上。