Small:基于等离激元与衍射效应融合的三维超棱镜实现宽带可见光的光束驾驭及功能复用

基于几何光学或衍射光学的传统光学器件由于受到结构尺寸和固有光学特性的限制,在控制光束的转向方面等应用仍有局限性。近年来,随着纳米制造技术的进步和发展以及微纳超表面的产生,为我们在纳米尺度上的光控制、任意波前塑形和光谱分裂等功能获得了全新的自由度。基于等离激元超表面具有的界面相移的特性,这种平面光学器件可以模拟与闪耀光栅类似的分束功能,用于宽带光束的偏转驾驭。然而,尽管具有十分重要的应用前景,衍射光学和等离激元超表面一直以来仍作为两个相对独立且平行的方向各自发展,此前并未对它们进行结构上的交融进行系统研究,对于这两种机制在纳米尺度上的相互作用所产生的光学影响也有待深入探索。此外,虽然超表面结构的几何参数(包括形状、尺寸、方向和周期性等)已被广泛研究,但对于3D空间结构设计这一新的自由度,即等离激元结构的3D高度变化仍有待探索研究。因此,研究和开拓衍射光学与等离激元效应相融合的新型光学器件,具有重要的科学研究意义与工程应用价值。

近日,武汉大学李仲阳课题组(NEAL, Nanophotonics & Emerging Application Laboratory)与杭州电子科大张雪峰课题组合作研究提出了将光栅衍射与等离激元共振效应相融合的三维超棱镜新概念,并在理论和实验上验证了在宽带可见光范围内其具有偏振或波长复用能力的多功能光束驾驭器件。相关结果并被选为Small刊内封面。论文第一单位为武汉大学,第一作者为武大博士生万成伟、代尘杰及杭电张鉴副研究员,通讯作者为武大李仲阳教授和杭电张雪峰教授。

该研究工作将局部表面等离共振与闪耀光栅的衍射效应相融合,在原本平坦的超表面上引入空间梯度,提出了将单一横向相位梯度演化成横纵双重相位梯度的一种新型全金属三维超棱镜结构。利用这种维度复用,该论文实现了一种新型多功能复用型超棱镜阵列器件,可以实现偏振或波长调控的具有聚焦功能的凹面镜或者具有散射功能的凸面镜等。

为引入3D空间梯度,研究者开创性地利用电子束曝光技术在衬底上精确控制梯形掩膜的开口尺寸,利用铝蒸发过程中在掩膜内自发的收口行为调控不均匀沉积,从而制备出短边矮而长边高的3D楔形空间不对称结构,实现了全金属的三维超棱镜阵列的制备。这种通过融合等离激元和衍射的独特3D超棱镜结构在光束操控方面简化了阵列设计复杂度,并在多功能光学器件等应用上具有科学价值和应用潜力。

论文信息:

3D Meta-Prisms for Versatile Beam Steering by Hybridizing Plasmonic and Diffractive Effect in the Broadband Visible Regime

Chengwei Wan, Chenjie Dai, Jian Zhang, Shuai Wan, Zile Li, Guoxing Zheng, Xuefeng Zhang*, Zhongyang Li*

Small

DOI: 10.1002/smll.202100561

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202100561