Advanced Functional Materials:基于三重光操控的单胞元三功能超表面

超表面作为一种人工合成的亚波长二维材料,具有同时操控多种光波参数的能力,例如振幅、偏振、相位操控等,这为设计同时具有多种光功能的集成光学器件带来了可能性。然而,受限于纳米结构的设计自由度,目前仅能利用超表面同时实现两种不同的光学功能。在有限的设计自由度下,改变纳米结构的任意几何参数将导致其他光学特性发生改变,引起不必要的链式反应。作为解决方案,将两个或多个纳米结构排列成超胞元(supercell),可设计空间交错或堆叠的超表面,实现复振幅或独立的光谱、相位操控,并构建能同时实现纳米印刷术和计算全息术的多功能超表面。但上述方法的本质是将两个(或更多)超表面整合为一个超表面,每个纳米结构最多只能记录一个通道的信息,因此并没有增加单个超表面的信息密度。

针对此问题,受纳米结构的转角简并性启发,武汉大学郑国兴教授团队及其合作者通过设计不同的入射激励及工作光路,将单个纳米砖对于光谱、偏振、相位的操控剥离开来,实现了单胞元纳米砖的三重光操控,并提出了一种用于同时显示结构色图像、连续灰度图像以及全息图像的单胞元三功能超表面。在这项工作中,光谱、偏振以及相位信息可完美地存储在同一个单胞元结构的三功能超表面中:结构色图像的颜色信息存储于单胞元纳米砖结构的几何尺寸中;连续灰度图像的强度信息及全息图的相位信息同时存储于单胞元纳米结构的转角排布中。因此,结构色图像、连续灰度图像以及全息图像可被同时记录于一片超表面上,且每个纳米结构都对应于三个图像的像元信息。利用不同的照明光源以及工作光路,可在样片的表面以及远场分别再现结构色图像、连续灰度图像以及四台阶的相位型全息图像。本研究表明,超胞元和叠层并不是实现多功能光操控的唯一方案,通过灵活设计入射激励以及工作光路,可更好地利用纳米结构中蕴含的设计自由度,使用一个纳米结构实现多重光操控,克服超表面信息存储密度的限制。单胞元纳米结构的三重光操控拓展了纳米结构的光操控维度,提供了一种高集成、高信息密度、多功能的超表面设计方法,并在信息加密、高密度图像存储显示、光学防伪等相关领域均具有广阔的应用前景,相关成果发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.202003990)上。