折射率可调谐超构表面

光学超构表面以其强大的波前操控能力,在自由空间光的光束偏折、偏振调控、全息成像以及光芯片领域具有重要应用前景。可调谐是光学超构表面实用化的一个重要要求。目前调控超构表面可以采用机械形变,电学集成组件编码或直接利用折射率可调材料等级制实现(图1)。其中机械形变,电学集成等方式主要工作在微波波段,而折射率可调材料可以通过外界的热,电和光激励改变超构表面结构单元的折射率从而调控整个波前的性质。基于折射率可调材料的超构表面往往比利用其它方式的可调超构表面具有更加易于集成且可以工作在光学频段的特点。现阶段较常使用的材料有半导体,透明导电氧化物,低维材料及相变材料,按照不同调控原理可分为:

1. 基于热光效应的调控。利用材料的热光效应,通过改变温度改变材料折射率,使用的典型材料为硅。

2. 基于自由电子效应的调控。不论是传统的半导体还是近年来受到广泛关注的透明导电氧化物及新兴的二维材料,根据杜德模型(DrudeModel),其折射率可以通过改变载流子浓度或等效电子质量来调控,常用的材料包括III-V 半导体,氧化铟锡,石墨烯等。

3. 基于相变的调控。通过外界的激励使相变材料产生相变,利用不同相之间的折射率差异来实现对超构表面的调控,较常见的材料如液晶,硫化玻璃,二氧化钒等。

清华大学白本锋副教授和孙洪波教授总结了近期基于多种折射率可调材料的超构表面,分析各种超构表面的优势及其所具有的问题并讨论了可调控超构表面的未来发展,相关论文作为progress report发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201806692),论文第一作者为清华大学博士生崔桐。尽管各种方法或多或少存在的一些问题,如热光效应中损耗,利用自由电子效应的电控器件中调制深度受限等问题,但可以相信通过继续寻找新的材料,优化结构,进一步增强光与物质之间的相互作用,定能在不远的将来实现单像素可调甚至可编码的超小型化,多功能,高效率的光学器件。

Speak Your Mind