李程峰 1,2,3何涛 1,2,3,*施宇智 1,2,3魏泽勇 1,2,3[ ... ]程鑫彬 1,2,3,**
1 同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所，上海 200092
2 同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
3 上海市数字光学前沿科学研究基地，上海 200092
光束偏折是光场操控的一项重要能力，也是众多光学应用的基础。随着光学技术的蓬勃发展，越来越多的应用场景迫切需要能够兼顾小型化和高效率的光束偏折光学器件。超构表面是人工原子按特定宏观排列方式构建而成的平面器件，具有强大的电磁场调控能力，能够在亚波长尺度下将光束偏折到任意非镜面方向，有望在实际应用中发挥巨大作用。从超构表面实现高效率异常偏折的物理机制出发，对超构表面异常偏折的应用研究进行回顾和讨论，同时也对潜在的挑战进行总结，对异常偏折超构表面及其应用的未来发展进行展望。
激光与光电子学进展
2024, 61(10): 1000001
1 西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室, 陕西 西安 710021
针对现有亚波长抗反射光栅结构参数对加工工艺要求较高且难以制备等问题, 设计了一种方柱形二维抗反射光栅结构。依据等效介质理论和薄膜增透理论对亚波长抗反射光栅结构参数进行仿真分析, 结果表明其透射率在远红外波段20~24 μm平均透射率能够达到98%, 中心波段21.8 μm处透射率达到99%。使用飞秒激光直写方式进行实验制备, 测得平均透射率达77%, 中心波段透射率达到77%, 与仿真结果相近。经实验验证, 所设计的亚波长光栅结构的工艺容差较现有光栅结构更好, 且对实验加工精度要求较低, 为其他类似光栅结构的设计和加工提供了新的思路。
亚波长结构 光栅 等效介质理论 飞秒激光 抗反射 subwavelength structure grating equivalent medium theory femtosecond laser anti-reflective
1 厦门大学航空航天学院，福建 厦门 361005
2 厦门大学深圳研究院，广东 深圳 518000
3 兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，甘肃 兰州 730000
在宽波段内减少反射以提高透射或吸收对于提高光学元件及光电子器件的性能至关重要。受自然启发，亚波长结构具有良好的宽带减反射性能。基于此，提出了一种新型的类锥亚波长结构以增强宽波段减反射。采用等效介质理论与时域有限差分法，对基底表面亚波长结构的等效折射率与减反射能力的关系进行了分析。通过对比蛾眼、圆锥及圆柱等不同结构的等效折射率对应的宽波段减反射性能，发现两种介质之间的等效折射率线性过渡无突变时减反射能力更优。以此提出了一种类锥结构设计方法，将该方法设计的三种结构与蛾眼结构在300~1100 nm波段进行了垂直入射下的表面反射率仿真分析，结果显示，该系列结构的平均反射率比蛾眼结构降低了约70%。此外，在可见光、近红外波段选取两个特征波长进行了宽角度（0~60°）下的反射率研究，结果表明，该系列结构的宽角度平均反射率均低于蛾眼结构，其中四棱类锥结构在两个特征波长下的平均反射率比蛾眼结构分别降低了62%和40%。采用此方法设计的系列结构比普通亚波长结构具有更佳的减反射效果，在超精密光学芯片、片上光集成、片上光互连等领域中具有潜在的应用前景。
光学设计 减反射 亚波长结构 等效折射率 时域有限差分法
西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
为实现铌酸锂光学器件的高效集成，在其表面制备亚波长结构是实现其光学特性的最佳方式。然而，目前使用的聚焦离子束刻蚀、激光刻蚀、湿法刻蚀等方法很难简单、经济、较快地制备铌酸锂亚波长结构。鉴于此，本课题组基于有限元仿真及低能离子束刻蚀技术，研究了不同离子束参数下刻蚀的铌酸锂亚波长结构及其透射率。采用Lambda950分光光度计和原子力显微镜分别对刻蚀后的铌酸锂样品的透射率、均方根粗糙度、纳米结构的纵向高度和表面形貌进行了分析。结果表明：当离子束入射角度为70°、入射能量大于600 eV、束流大于40 mA、刻蚀时间大于60 min时，铌酸锂样品表面形成了大面积的锥形纳米结构，并且纳米结构的高度随着离子束刻蚀参数的增大而增大；在可见光波段，铌酸锂表面纳米结构越高，增透效果就越明显；当入射能量为1000 eV、离子束束流为40 mA、入射角度为70°、刻蚀时间为120 min时，铌酸锂表面刻蚀出了纵向高度为143.5 nm的锥形结构，此时在可见光范围内铌酸锂样片的峰值透射率为83.5%，相较于原片的透射率提高了约12.5个百分点。
表面光学 铌酸锂 亚波长结构 光学性能 离子束刻蚀 透射率
将光波偏折到预定的非镜面折/反射方向是超构表面的一项重要能力，也是超构表面对光波进行复杂操控的基础。为了提高异常偏折超构表面的性能并拓展其应用，现有研究主要围绕设计理念、器件构型、演示应用等方面展开。目前光学超构表面的异常折射和反射效率已经提升至90%和99%，各种基于超构表面异常偏折光波调控的演示性应用也相继被提出。从物理机制、实现方法以及应用研究几方面出发，本文对光学超构表面异常偏折研究进行了回顾和讨论，同时也对潜在的挑战进行了总结，对异常偏折超构表面的进一步研究进行了展望。
光学 精密工程
2022, 30(21): 2626
辽宁石油化工大学理学院, 辽宁 抚顺 113001
研究了亚波长双曲超材料板表面反射光Goos-H?nchen (G-H)位移增大、方向转换以及临界波长调制方法。基于等效介质理论和稳态相位方法系统计算了入射波长、填充因子以及背景介电常数等对G-H位移特性的影响。研究表明亚波长双曲超材料板不仅可以明显增大反射光的G-H位移,而且可通过改变入射波长实现G-H位移方向的转换。在正负G-H位移之间存在临界波长,入射波长小于此临界波长时G-H位移为正,反之为负;入射波长越接近该临界波长,G-H位移越大,反之越小。研究还发现临界波长可以由双曲超材料板的填充因子和背景介电常数调制,增大填充因子和背景介电常数可以使临界波长发生蓝移,反之发生红移。以上研究表明基于亚波长双曲超材料板表面的G-H位移在光隔离器、光学传感器以及集成光电器件应用中具有广阔的应用前景。
表面光学 亚波长结构 双曲超材料 Goos-Hänchen位移 中国激光
2021, 48(23): 2313001
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Electromagnetics and Acoustics and School of Electronic Science and Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China
2 Department of Physics, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China
Multifrequency superscattering is a phenomenon in which the scattering cross section from a subwavelength object simultaneously exceeds the single-channel limit at multiple frequency regimes. Here, we achieve simultaneously, within a graphene-coated subwavelength structure, multifrequency superscattering and superscattering shaping with different engineered scattering patterns. It is shown that multimode degenerate resonances at multiple frequency regimes appearing in a graphene composite structure due to the peculiar dispersion can be employed to resonantly overlap electric and magnetic multipoles of various orders, and, as a result, effective multifrequency superscattering with different engineered angular patterns can be obtained. Moreover, the phenomena of multifrequency superscattering have a high tolerance to material losses and some structural variations. Our work should anticipate extensive applications ranging from emission enhancing, energy harvesting, and antenna design with improved sensitivity and accuracy due to multifrequency operation.
superscattering pattern shaping subwavelength structure graphene plasmon polariton Chinese Optics Letters
2021, 19(12): 123601
1 清华大学电子工程系, 北京 100084
2 清华大学国际纳米光电子学研究中心, 北京 100084
3 清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室, 北京 100084
4 北京量子信息科学研究院, 北京 100193
自从第一个激光器诞生以来,激光对科学研究和技术应用都有革命性的影响。激光本身作为一门科学和技术兼具的学科,也一直是一个快速发展和极其活跃的研究前沿,激光器的线性尺寸从极小到极大跨越达10个数量级。主要介绍近十几年来激光向极小尺寸(即纳米激光)发展的一些基本情况,包括纳米激光发展的基本历史脉络和背景、各种不同的种类和特点、应用场景、目前发展状况、面临问题、未来趋势。不同种类的纳米激光器的主要区别在于激光腔和增益材料的不同,涉及的纳米腔结构包含纳米线状腔、回音壁式腔、Fabry-Pérot腔及金属等离子激元腔等;涉及的增益介质包括普通的化合物半导体和新兴钙钛矿、过渡金属硫族化合物等。
光电子学 半导体激光器 微腔器件 等离子体 纳米光子学及光子晶体 亚波长结构 半导体 中国激光
2021, 48(15): 1501002
暨南大学纳米光子学研究院, 广东 广州 511443
近年来,各种微纳光学效应被用于实现结构色甚至更精细的光谱调控,但这类方法大部分都基于彩色滤波原理,其光学效率难以接近甚至超越传统的染料滤波技术。首先介绍高像素密度图像传感器的色彩技术需求,并分析现有商用染料滤波器和微纳光学结构色滤波技术的局限性,然后介绍一类新兴的微纳结构空间分光色彩管理技术,并系统性地分析和讨论其技术原理和发展现状,最后总结该技术面临的挑战和发展趋势。
光学器件 亚波长结构 微纳光学 图像传感器 结构色 分束器
1 西南科技大学 制造过程测试技术教育部重点实验室, 四川 绵阳 621010
2 中国空气动力研究与发展中心, 四川 绵阳 621010
针对传统光学元件增透的方法中存在物理、化学性质的限制而导致热失配、稳定性不足等问题, 提出了对光学表面直接加工圆球和圆锥形两种微纳结构的增透方式; 构建了两种微结构模型并以0.38~0.9μm的入射光在不同入射角的条件下对二者进行数值仿真; 分析了两种模型随波长与入射角变化的反射率、透射率和电场的变化情况, 并对两种实验元件进行实验测试; 结合两种微纳结构的仿真和实验数据结果进行对比, 获得了两种微纳结构对光透射性能的影响情况。结果表明: 入射光波长由小增大时, 光学元件透射率增大, 并随着波长继续增大透射率逐渐趋于稳定。可为表面微纳结构对光透射性能的影响研究, 以及对微纳光学器件的优化设计、制造提供参考。
表面微纳结构 微纳光学 反射性能 亚波长结构 surface micro-nano structure Micro- nano optics transmission property subwavelength structure
