超构材料(metamaterial)是通过人工功能基元的设计和空间序构的排列来构筑新材料,它展现出许多自然材料所不具备的新奇超常力、热、光、声、电、磁等物理特性,形成了材料研究的新范式。超构材料是当前国际新兴的研究热点,超表面(metasurface)作为超构材料的二维形式,既突破了传统媒质电磁参数的局限性,又可大大缩小材料和器件的厚度,所具备的奇异电磁特性使电磁波调控器件的发展更加趋于小型化、平面化、共形化、多样化,大大拓展了人们对电磁波调控的手段和方法。2016年哈佛大学基于超表面概念研制的光学超透镜,因其可大幅减小镜片的尺寸和成本,可对目前大多数光学设备带来重大改变,入选了Science周刊评选的2016年十大科技突破。

南京大学李涛/祝世宁研究组联合台湾中央研究院蔡定平研究组在宽带消色差超构表面器件上取得重要进展,他们提出集成共振的方案并与几何相位结合,成功设计并演示了工作带宽达到450纳米的反射性超构透镜消色差聚焦及定向反射,在超构表面器件的实用化迈出了重要一步。

然而,目前超表面透镜一经设计制备后,其焦距和成像性能就很难改变,限制了其进一步扩展功能和应用的范围。最近,南京大学电子学院冯一军教授团队将有源元素融入电磁超表面的设计中,提出了有源惠更斯超表面的设计方案,并成功设计研制了可重构有源惠更斯超透镜,实现了电磁波的动态聚焦,如图1所示。该工作于2017年2月24日在线发表在国际权威期刊Advanced
Materials上面 [DOI: 10.1002/adma.201606422]。

超构表面(Metasurface)是通过一薄层亚波长结构单元去局域地控制空间光场的相位、偏振、及强度等分布的光学设计。它可以有效地调控光的传播性质,实现如聚焦、负折射、隐身地毯等功能,同时避免了在体块超构材料(Metamaterial)内部传播的巨大损耗,因而具有重要的应用前景。而且,超构表面的厚度仅在波长量级甚至更薄,具有优异的微纳光学集成功能,比如其特有的平面结构,为研制平板透镜等光学器件提供了全新的设计原理。

该工作将微波变容管耦合到超表面单元的结构中,通过事先设定的程序可以独立、连续控制每个单元的电磁响应,从而实现了微波信号在任意焦点位置聚焦、任意多焦点聚焦及动态焦点的快速扫描等功能,如图2所示。所设计和制备的超透镜集亚波长厚度、接近衍射极限的焦斑、高透射效率、实时连续可重构性、任意程序控制和快速响应等优势于一身,有望使超表面和超透镜技术在实时、快速和复杂电磁波调控上得到应用,并为诸如动态全息成像和聚焦、波束整形和扫描、可调天线辐射等方面的实际应用奠定良好的基础,其设计概念和方法还可进一步拓展到太赫兹、红外和可见光领域,实现小型、高效的光学镜片和动态成像系统,应用前景广阔。

当前,人们已经展示了利用超构表面研制的平板超构透镜可以媲美传统光学显微镜镜头的成像效果。不过,此类新原理设计真正走向应用还面临几项重要挑战,材料色散及衍射效应导致的色差就是其中之一。如何实现器件的宽带消色差是该领域大家公认的目标。围绕这个目标,国际上正在开展激烈研究竞赛。前人已报道的工作大多是通过参数优化方法实现几个孤立波长的消色差。对于连续波段的消色差,目前报道最好结果仅是60nm和140nm。其带宽难以拓展的原因是传统超构表面的结构单元所提供的参数空间很难同时满足消色差透镜所需的空域相位分布和频域相位补偿。因此,人们亟待发展出新的设计原理和方法来突破超构表面器件消色差带宽的瓶颈。

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图1. 可重构超透镜实现电磁波的动态聚焦和多点聚焦切换示意图。

图1. 传统色差的超构透镜和消色差超构透镜的结构和聚焦示意图。

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近期,现代工程与应用科学学院李涛教授、祝世宁院士研究组与台湾中央研究院的蔡定平教授合作,在解决超构表面器件在连续宽频段上消色差的方面取得了重大进展。他们首先将透镜聚焦所需要的相位分解成两部分,即:频率无关的基础相位和频率相关的补偿相位。然后巧妙结合超构表面结构设计的两种方案(共振性和几何相位性),通过几何相位设计聚焦透镜需要的基础相位分布,再通过共振设计补偿不同频率带来的相位色散。需要特别强调的是,通常的共振带来相位变化都是突变的,不满足与频率成正比的线性相位补偿。本工作中,他们提出了新颖的“集成共振(integrate
resonance)”方案,通过特殊排列的金属棒的多个共振之间的线性相位区域,成功设计出满足聚焦透镜要求的一系列不同斜率的线性相位补偿的结构单元。图2b显示了利用纳米加工制备的反射性超构透镜样品照片,整个镜片的直径约55微米。右侧电子显微镜照片反映出了该超构透镜的结构单元具有几何相位的旋转排布,以及不同纳米棒形状及数目的集成共振性质。

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可重构超透镜性能测试实验及其所实现的沿南京大学英文首字母N轨迹的连续动态扫描。

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该工作以A Reconfigurable Active Huygens’
Metalens为题于2017年2月24日发表在国际权威期刊《Advanced Materials》(DOI:
10.1002/adma.201606422;

Alù教授课题组合作完成,南京大学电子学院姜田副教授、赵俊明副教授、朱博副教授及英国伯明翰大学张霜教授等也参与了工作。该工作受到了国家自然科学基金委项目、江苏省高校博士研究生创新计划、江苏省优势学科、江苏省先进电磁波调控技术重点实验室的资助。

图2.
特殊排列的金属纳米棒结构与金属反射镜结合产生所需要的不同斜率线性相位补偿。根据设计实验加工出的样品光学显微照片和局部放大电子显微镜照片。

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