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华中科技大学陈林课题组:双曲色散超材料实现77.9%异常折射效率

2018-12-30

华中科技大学陈林团队在利用双曲色散超材料阵列进行波前控制的研究中取得了重要进展。该团队利用双曲色散超材料单元构建全新的波导阵列结构,并证明波导侧面可以支持表面波的传输。由于表面波对色散具有超强控制能力,因此不受限于自然界光学材料,可以实现在整个电磁波频段工作。课题组利用该新型超表面单元结构,成功在微波和近红外波段实现偏振无关和针对圆偏光工作的波束偏转和聚焦器件。其中,近红外波段的异常折射效率可以达到77.9%。该成果系统地研究了双曲色散超材料阵列的电磁响应以及在电磁波波前控制中的应用,为利用双曲色散超材料实现波前控制提供了完整可靠的理论指导。

超表面是一种具有亚波长厚度的人工层状结构,由于其对电磁波振幅、相位和偏振具有强大操控能力、以及制备简单等优点,已被广泛研究用于成像、光束偏转、超透镜、超全息、编码、隐身等诸多功能上。然而,目前国际上大多采用光学超表面结构,总体上这些器件存在透射率低、可选的光学材料受限等制约实用化的关键科学技术难题。


图1 基于双曲色散超材料超透镜示意图。

研究人员提出利用双曲色散超材料构建新型超表面单元。从麦克韦斯方程组出发,结合电磁场边界条件,证明这种结构支持表面波的传输,并且该表面波具有大的色散调节范围且能实现超高等效折射率,因此不受限于自然界光学材料,可以在整个电磁波频段工作[图2(a)~(f)]。此外,由于结构单元采用的是表面波传输累积相位的原理,可彻底摆脱之前单层等离激元超表面基于电磁辐射而受到25%透射率的制约。利用严格模式理论证明高阶衍射级次与波导模式之间的耦合可以有效提高光波的透射率[图2(g)~(i)]。通过在空间上摆放具有不同结构的双曲色散超表面结构阵列,使透射偏振的电磁波满足线性梯度相位分布和双曲梯度相位分布,实现了偏振无关的电磁波束偏转和聚焦透镜(图3),其中衍射效率可以达90%以上。


图2单个双曲色散超材料波导和波导阵列的(a)、(d)示意图,所支持表面波的(b)、(e)色散与(c)、(f)场图。波导阵列衍射级次与波导模式的(g)耦合系数、(h)透射率和(i)透射相位。


图3 偏振无关超透镜。(a)样品图、(b)单元相位分布、(c)设计器件宽度、(d),(e)和(h),(i)聚焦电场强度分布图、(f),(g)和(j),(k)焦平面上电场强度分布图。

课题组进一步通过优化双曲色散波导的结构参数,将所支持的表面波拓展到近红外波段。并通过在玻璃衬底上摆放不同的双曲色散超材料单元,在红外波段实现了偏振无关和针对圆偏振光工作的光束偏转器和聚焦透镜。其中针对圆偏光工作的波束偏转器,异常折射光波束的衍射效率可以达到95%以上,转换效率可以达到77.9%。

相关研究成果以Hyperbolic metamaterial devices for wave-front manipulation为题发表在 Laser & Photonics Reviews (2018, 1800081)上。审稿人一致认为,这种全新的超表面单元结构可以解决单层金属超表面单元低效率和介质超表面依赖于高折射率材料的问题,为光学超表面研究领域提供了一种全新的选择。华中科技大学殷祥和朱华博士生为同等贡献第一作者,陈林和复旦大学周磊教授为通讯作者,同济大学李宏强教授,苏州大学杭志宏教授和南开大学陈树琪教授为合作作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、上海科学技术委员会基金、江苏自然科学基金、中国博士后科学基金和武汉光电国家研究中心主任基金的资助。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.201800081