利用相干控制实现全介质超构透镜的聚焦特性切换
2022-07-24 09:42:48 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

该论文的研究表明全介质超构透镜的聚焦特性可以通过相干控制（即通过改变超构透镜平面中的局部电磁场）进行切换，而无需改变纳米结构或周围介质的任何物理或几何特性。

近年来，平面、梯度折射率、超构表面（metasurface）光学器件——尤其是全介质（all-dielectric）超构透镜（metalens）——已经出现并发展成为传统块体玻璃/晶体透镜的紧凑、轻质替代品。

据麦姆斯咨询报道，近日，一支由英国南安普敦大学（University of Southampton）和诺丁汉大学（University of Nottingham）的研究人员组成的团队在Optics Express期刊上发表了题为“Coherently switching the focusing characteristics of all-dielectric metalenses”的论文，该论文的研究表明全介质超构透镜的聚焦特性可以通过相干控制（即通过改变超构透镜平面中的局部电磁场）进行切换，而无需改变纳米结构或周围介质的任何物理或几何特性。

超构透镜聚焦特性的相干切换

图1 超构透镜聚焦特性的相干切换

近年来，相干控制已成为一种有效且高度灵活的全光调制方法，可用于平面超构材料（metamaterial）和超薄介质中电磁响应的高对比度、高速、低能切换和调谐。该技术使用两个相干的反向传播光束来创建驻波，包含电场（E）和磁场（B）强度和/或偏振波节和波腹的周期性模式。在这种驻波中，具有亚波长厚度的超构材料可以选择性地暴露在不同的局部激发场中，并且它们的响应可以相应地发生显著变化。这种现象首先在等离子体超构表面吸收的调制中得到证实：在由反向传播的共线偏振入射光束形成的驻波的电场波腹（磁场波节）处，适当的纳米结构的薄金膜具有完美的吸收性能，而在电场波节（磁场波腹）处则变得完全透明。随后，它被用于控制一系列传输、反射、折射、吸收和偏振现象，它具有太赫兹（THz）带宽，处于单光子或纠缠少光子状态，其应用包括模拟逻辑数据处理、模式识别、光束操纵和激发选择光谱学等。

与此同时，利用紧凑、轻质的平面形态和先进的光刻纳米制造技术，人们已开发并深入研究了超构透镜（即基于超构表面或梯度折射率的“平面透镜”），作为下一代光学元件，它在成像、显微术、光谱学、照明和显示系统中具有广泛的应用潜力。在通过外部刺激可逆调谐聚焦特性的潜在方法中，平面几何构造也提供了优于传统块体（例如玻璃）折射透镜的机会和优势：对于单线态超构透镜（即不使用多个级联功能层的器件），机械和电驱动变形已被证明是动态聚焦调谐的有效方法。其他方法基于组分或周围介质（包括液晶热光聚合物、硫系化合物和二维材料等）的固有特性的调制来实现。

将相干控制作为一种新的超构透镜调谐策略，可以结合这两种技术的优点。最值得注意的是，Papaioannou等人的研究在等离子体超构表面上实现了动态聚焦调谐。由于等离子体超构表面起到超薄分束器的作用，因此调谐需要结构化的入射光，而不是典型相干控制配置中采用的平面波。

超构透镜的设计原理

图2 超构透镜的设计原理

在本论文的研究工作中，作者们引入了相干控制/照明作为实现全介质超构透镜中二元聚焦切换的一种通用方法。构成超构透镜的硅纳米柱对局部驱动场作出响应，在驻波照明下，其电或磁共振模式的选择性激发可以通过设计提供明显不同的超构透镜相位分布。超构透镜被设计为具有椭圆横截面尺寸的纳米柱阵列，这些纳米柱被单独选择以最佳地拟合所需的一对相位分布。在原理验证中，他们分析了具有可切换焦距和直径相差两倍的近红外球面和轴棱锥超构透镜的设计，以及可以在球面和轴棱锥形态之间切换的超构透镜的设计。该原理并不局限于这两种透镜类型，通过适当选择谐振器的材料和几何构造，它可以适用于其他光谱波段，以实现输出波前的可逆、全光控制。

球面超构透镜聚焦特性的相干切换