可同时产生和聚焦真空紫外光的非线性超构透镜
2022-06-25 15:37:31   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，近日，国立台湾大学（National Taiwan University）和美国莱斯大学（Rice University）共同开发了一种超构透镜（metalens），其既能通过二次谐波产生（second-harmonic generation，SHG）效应产生真空紫外（Vacuum ultraviolet，VUV）光，同时又能聚焦VUV光。这种超构透镜由150nm厚的氧化锌（ZnO）纳米谐振器组成，可将394nm（~3.15eV）光转换为聚焦的197nm（~6.29eV）光辐射，产生直径为1.7μm的光斑，并且与超构透镜表面的波前相比，功率密度增强了21倍。所开发的超构透镜十分紧凑且无需相位匹配，可大幅简化VUV系统设计并促进更先进的应用。这项研究工作为开发低损耗VUV组件和提高VUV系统的可获得性提供了一个非常实用的平台。

VUV非线性超构透镜设计

VUV光的波长范围通常为100~200nm（6~12eV）。由于其高光子能量和强光-物质相互作用，VUV辐射可用于从材料表征、加工到生物技术的众多应用领域。目前，低损耗光学元件和紧凑型相干光源的缺乏是限制VUV光的新应用出现的一个关键因素。几乎所有的用于传统透镜的玻璃类型都不适用于VUV，因为它们在该区域的吸收很强。目前用于透镜的少数可透过VUV的材料（最典型的是CaF₂和MgF₂）相对脆弱，对薄透镜的制造和设计造成了实际限制。反射光学元件虽然消除了强VUV吸收，但也显著增加了VUV系统的体积和复杂性。相干VUV光源一直是大型固定波长准分子激光器，需要大的实验室占地面积和大量的气体处理设备。固态激光源与非线性光学过程的相结合为相干VUV光的获取提供了更广泛的途径。从稀有气体蒸汽中的级联三倍频到高度级联谐波产生的策略是利用将低光子能量相干源转换为高光子能量范围的方法。更高效的上转换过程（如非线性光学晶体中的二次谐波产生）受到VUV波长的相位匹配约束以及光吸收的严重限制。为了提高对这一电磁频谱区域的利用率，显然需要新的VUV光产生和操纵方法。

超构表面提供了一个很有前景的平台，可以解决当前该波长范围的一些限制和挑战。超构表面由亚波长纳米谐振器（meta-atoms，超构原子）组成，具有精心设计的几何参数，以实现目标功能，如光波前控制和可调光操纵。非线性超构表面是高度紧凑的平面光学元件，具有增强的局部有效非线性，可以在不受相位匹配约束的情况下产生VUV光。由于超构表面能够将入射光聚焦到纳米级光点，因此可以提高非线性过程的效率，并用作从红外到深紫外波长范围的紧凑型光产生器件。在之前的研究中，研究人员通过设计由精确图案化的非线性材料组成的超构原子来形成所需基本波长处的共振模式，将非线性超构表面的工作波长扩展到VUV范围。在用于VUV光生成的非线性超构表面的初始演示中，由于超构原子的几何结构，生成的光被分散成不同的图案。这种衍射在实际应用中并不可取，因为需要额外的VUV光学元件来收集和准直生成的VUV光，这不可避免地会引入损耗并大幅增加系统的尺寸。近期，来自国立台湾大学和美国莱斯大学的一支研究团队开发了一种能够同时产生和聚焦VUV光的非线性超构透镜。这种超构透镜为非线性VUV光的产生和聚焦提供了一种紧凑的方法，无需额外的光学元件。

这种VUV超构透镜由在激发波长（394nm）处具有Mie型共振的超构原子阵列组成。与该研究团队之前的VUV光产生的研究一样，ZnO被用作组成材料。为了在这种激发条件下有效地产生VUV光，超构原子单元必须具有特定的旋转对称性。旋转对称性可以根据Bloembergen提出的非线性选择规则来选择。对于二次谐波产生，超构原子需要具有C3旋转对称性，并且选择为三角形。为了满足这一要求并有效地将激发能量收集到非线性材料中，研究人员选择了具有强共振的三角形的超构原子。通过电子束光刻和反应离子刻蚀工艺对150nm多晶ZnO薄膜进行图案化，研究人员成功地制备了这种超构透镜。

VUV非线性超构透镜的制造

为了评估超构透镜对其产生的VUV光的聚焦能力，研究人员对聚焦光点和超构透镜平面的功率密度进行了分析和比较。结果表明，与超构透镜平面的波前相比，最亮像素的功率密度增强约21倍，高于50%阈值的5个像素的功率密度增强约15倍。根据模拟结果来看，超构透镜能够产生紧密、聚焦的VUV光斑，其功率密度比超构透镜平面的波前强100倍以上，明显大于实验观察到的21倍。这种差异很可能是由于超构透镜的制造缺陷和不完美的平面波激发导致的，未来可以通过进一步改进制造和对准工艺将其最小化。

VUV非线性超构透镜的聚焦测量

研究人员根据ZnO的材料特性将超构表面光子学与非线性光学相结合，开发了一种产生VUV光的超构透镜。由ZnO超构原子组成的非线性超构透镜不仅可作为VUV光产生的超紧凑非线性介质，而且可以有效聚焦产生的VUV光。通过集成到当前基于激光的显微镜系统中进行生物医学分析、材料表征和纳米光刻，可以预见这种超构透镜的许多有趣应用。鉴于设计的灵活性，这种超构透镜可能还具有其他器件功能，为新的高效VUV系统打开了大门。考虑到可以通过互补金属氧化物-半导体兼容工艺进行超构表面的大规模制造，研究人员认为这项工作提供了一种有前景的高通量制造紧凑型VUV光学元器件的策略。总的来说，这项研究为开发VUV光谱区的新型光学元器件奠定了基础。

论文信息：

"Vacuum ultraviolet nonlinear metalens" Tseng M L, Semmlinger M, Zhang M, et al. Science advances, 2022 April 20.

DOI: 10.1126/sciadv.abn5644

延伸阅读：

《超材料和超表面技术及市场-2021版》