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“极端光学研究创新团队”在介质超表面全息研究方面取得重要进展

 超材料是由亚波长尺度的人工“原子”或“分子”构成的微纳结构,可以局域地控制光的电磁特性,从而实现负折射等超常规功能。超表面是厚度小于波长的二维超材料,由于能够制备超薄的透镜和全息等平面光学元器件,近年来引起了广泛关注。以硅等高折射率材料制备的介质超表面透射调制效率极高,特别有利于透射工作方式。北京大学现代光学研究所“极端光学研究创新团队”的李焱教授和龚旗煌院士和国家纳米中心合作,开展可见光波段介质超表面彩色全息的研究,取得了重要进展。

 他们的研究表明,二重以上对称性的结构能够实现偏振无关的光波前控制,并且可以简化超表面的设计,有利于推进到可见光波段。利用截面为正方形的硅柱阵列制备的超表面,在可见光波段不仅工作光谱宽,而且效率高。制备的偏折器件在600nm到800nm之间能保持75%以上的衍射效率,并且在670nm左右达到93%的峰值。研究工作2016年7月发表在Optics Express上(https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-24-15-16309),并成为7月份该杂志热点下载文章(top downloads)之一。文章的并列第一作者为北京大学物理学院2012级本科生李其橦和国家纳米中心董凤良博士,北京大学物理学院的李焱教授和国家纳米中心的褚卫国为通讯作者。

 为了使超表面能够同时控制多个波长的相位,他们设计了亚波长的“超分子”结构。每个“超分子”由三种长方体硅柱构成,分别控制红光(633nm)、绿光(532nm)和蓝光(473nm)的相位,不同波长之间没有相互干扰。相位的调控通过分别对应的旋转硅柱产生的几何相位来实现,三种波长的相位可以同时独立地局域调控,大大减少了以前采用多种硅柱耦合方法中的硅柱种类和设计的复杂程度。为了展示这种灵活的多波长高精度相位调控能力,制备了消色差和高色差两类全息,证实了该方法具有灵活高效的特点,并有望实现真三维彩色全息、平面消色差透镜以及平面防伪器件等等。该工作于2016年8月发表在Nano Letters 上(http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b02326),7 月上线后很快在世界科技研究新闻咨询网Phys.org上以专题(feature)方式报道(http://phys.org/news/2016-07-high-efficiency-holograms-metasurface-nanoblocks.html),已被分享4370余次。文章的并列第一作者为北京大学物理学院博士研究生王波和国家纳米中心的董凤良博士,李焱教授和褚卫国研究员为通讯作者。

红绿蓝三色光照射到超表面高色差全息上,形成彩色图像

 该研究工作得到国家重大科学研究计划、国家自然科学基金委、介观物理国家重点实验室、“2011计划”量子物质科学协同创新中心、极端光学协同创新中心等的资助。

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