有源超构表面实现光学频率的电可调
2024-09-27 09:45:33 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
一种新的有源超构表面可以将单个光脉冲转换成多个频率的光束，每个光束都指向不同的方向。这一原理验证性开发为通信、传感和成像领域的一系列创新应用打开了大门。
据麦姆斯咨询介绍，超构表面可以是有源或无源的。无源超构表面提供固定的功能——在光学系统中充当静态元件。相比之下，有源超构表面则迈出了关键的一步，具备可调谐、可重构和时变等功能。有源超构表面可以通过在亚波长人工结构阵列上空间改变光的相位和振幅，从而实现高效的波前动态操控。同样，有源超构表面的周期性时间调制允许操控光的输出频率。
一种新的有源超构表面可以将单个光脉冲转换成多个频率的光束，每个光束都指向不同的方向。这一原理验证性开发为通信、传感和成像领域的一系列创新应用打开了大门。研究人员将空间和时间调制结合在1530 nm波长下工作的电调制超构表面中，以生成和衍射兆赫频率的边带光谱。具有定制波形的时间调制可以设计边带光谱。通过在超构表面上施加空间相位梯度，可以衍射选定的边带频率组合。结合主动时间和空间变化可以实现独特的光学功能，例如频率混合、谐波光束控制或整形。相关研究论文以“Electrically tunable space–time metasurfaces at optical frequencies”为题，发表于Nature Nanotechnology期刊。
这项研究进展来自美国加州理工学院应用物理和材料科学教授Harry Atwater的实验室，得益于一种称为超构表面的纳米工程材料，这项研究成为可能。“这些是人工设计的功能表面，基本上由亚波长纳米结构图案组成。”Harry Atwater团队的研究生Prachi Thureja说道，“所以，超构表面是一个纳米结构阵列，每个纳米结构基本上都允许我们局部调控光的属性。”
该超构表面可以每秒重新配置数百万次，以改变其局部调控光的方式。这足以操控和重定向光束，从而用于光学数据传输（例如光学空间通信和Li-Fi）和激光雷达等领域。
“超构表面为操控光束带来了前所未有的自由。”香港城市大学电气工程系副教授Alex M. H.说，“能够做到这一点意味着可以将现有的无线技术迁移到光学领域。Li-Fi和激光雷达就是最好的应用案例。”
操控和重定向光束通常涉及一系列传统的透镜和反射镜。这些透镜和反射镜的尺寸可能很小，但它们仍然使用材料的光学特性，例如斯涅尔定律，该定律描述了波前穿过不同材料的进程，以及该波前如何根据材料本身的特性被重定向或折射。
相比之下，这项新研究提供了通过半导体材料以电的方式操控材料光学特性的前景。结合纳米级超构元件，这种平面微型器件可以像透镜一样工作，而无需弯曲或弯曲的玻璃。而且，这款新型超构表面的光学特性可以使用电信号每秒切换数百万次。
“我们的超构表面的不同之处在于，通过在超构表面上施加不同的电压，我们可以改变从器件表面发出的光频率和方向，即使它实际上没有移动。”论文合著者Jared Sisler（也是Harry Atwater团队的研究生）表示，“然后我们可以像电子可编程镜面一样操控光束。”
该超构表面本身是一个每边长120微米的芯片，它通过在氧化铟锡半导体层中嵌入微型金（Au）天线表面来实现其光操控能力。操纵半导体上的电压会改变材料弯曲光线的能力（也称为折射率）。在金镜面元件的反射和半导体的可调折射能力之间，许多快速可调的光操控成为可能。
“我认为使用固态超构表面或光学器件在空间中引导光线并将其用于编码信息的整个想法目前还没有类似的东西。”Jared Sisler说道，“所以我的意思是，从技术上讲，如果你能实现更高的调制率，你就可以发送更多信息。但由于这是一个新的领域，我们的超构表面性能更多只是展示了原理。”
Jared Sisler表示，这一原理表明，在近期超构表面开发和研究的基础上，未来将出现各种各样的应用技术。
“超构表面具有平坦、超薄、轻便等特点，可以同时实现通常由一系列精心设计的传统透镜的功能。科学家目前仍在探索超构表面为我们带来的巨大可能性。”Jared Sisler表示，“随着纳米制造技术的进步，如今可以可靠地制造出比波长小得多的特征尺寸的超构光学元件。”
Jared Sisler继续说道：“超构表面的许多功能正在得到展示，这不仅有利于通信，还有利于传感、传感等领域……据我所知，除了学术界的兴趣之外，来自工业界的各种参与者也非常感兴趣，并投入大量资金推动超构表面技术的商业化应用。”
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-024-01728-9
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