应用于毫米波段的宽带波束调控超表面设计

毫米波段因其较高的数据传输速率和较大的容量而备受关注。为满足现代通信系统对宽带、波束偏转和高辐射效率等天线需求，本文提出了一种工作在88.5～94.6 GHz频带范围内的石墨烯-金属复合结构超表面。该超表面通过调节石墨烯的费米能级，对超表面单元的反射相位进行实时调控编码。调整金属层结构尺寸，可以调制不同编码状态下超表面单元的相位、幅度响应以及编码频段范围。经优化设计，在石墨烯费米能级分别为0 eV和1 eV时，编码超表面单元在88.5～94.6 GHz的宽频带内具有180°±20°的反射相位差，并且反射幅度均大于0.7。利用该单元设计了7×7的超表面，通过合理排布编码单元，可对毫米波段波束进行偏转和多波束切换等动态调控。实验结果显示，单波束最大偏转角度可达105°(-55°～50°),且可实现1～5个波束的切换。该超表面为多功能天线设计提供了新的解决方案，在高速无线局域网、车载雷达、卫星通信等领域具有潜在的应用价值，对毫米波段通信技术的发展具有重要意义。     

太赫兹波前调制超表面器件研究进展

超表面是一种由人工微结构组成的超薄平面器件,能够实现对电磁波振幅、相位以及偏振态的调控,具有体积小、重量轻、集成度高、可灵活操控电磁波等优势,在电磁波谱、波前调制中发挥着巨大的作用。综述了近年来基于超表面的太赫兹波前调制器件的研究进展。总结了基于Pancharatnam-Berry相位、基于局域表面等离子体共振(LSPR)、基于Mie共振的三种超表面单元结构对电磁波的振幅、相位调控机理,并讨论了实现高效率超表面的方法。之后,介绍了用于设计波前调制超表面器件的纯相位调制方法和复振幅调制方法。综述了在太赫兹波段典型的超表面波前调制器,包括单一功能、复合功能以及可调谐功能的超表面波前调制器件。在早期的研究工作中,设计的超表面可实现波束偏转、波束聚焦、全息成像、以及涡旋光束、自聚焦光束、洛伦兹光束等特殊光束产生等功能。为提高太赫兹器件的利用率,波分复用、偏振复用等功能复用的太赫兹超表面器件被提出。随着对太赫兹波前动态调控需求的增长, 一些主动的太赫兹超表面器件被提出并在实验上被验证。共有两种主动的超表面器件。其中一种主动超表面是通过将超表面结构与半导体材料或相变材料结合形成的,另一种是通过光泵浦硅片形成的全光器件。全光超表面在不用重新加工的前提下能够被重复使用。通过调整投影在硅片上的超表面图像即可动态操控太赫兹波前。全光超表面具有动态控制波束扫描和波束聚焦的能力,将来可应用于太赫兹通信、太赫兹雷达等领域。最后,对太赫兹波前调制超表面器件的发展趋势与应用前景进行了展望。     

基于氧化铟锡的空间光相位调控超表面设计

空间光的相位调控对于光学相控阵以及焦距可调透镜等的应用具有重要意义。氧化铟锡(ITO)是一种透明金属材料,其介电常数可以通过外部电压进行高速调制,因此被广泛应用于电光调控设备。本课题组基于ITO薄膜和金属谐振器设计了一种谐振增强结构,通过静电调控ITO的载流子浓度,使入射光与超表面发生临界耦合,显著提升了结构对电磁特性的调控能力,实现了高于330°的相位调制范围。利用相位调控单元构建光学相控阵,实现了波束的动态偏转;同时设计了焦距可调透镜,通过仿真实现了焦距为10,15,20μm的可调聚焦效果。所设计的相位调控超表面在光学探测、传感、成像等领域具有重要的应用价值。     

基于超表面的宽波带光束聚焦研究

超颖表面是一种基于亚波长结构的光学平板膜层,可在亚波长传输范围内调控入射光束的相位、振幅和偏振。为了代替传统的曲面光学元件,采用传输相位调控理论和广义折反射定律,设计了一种新型的超颖表面,并进行了程序模拟,取得了此亚波长结构对光束聚焦调控的数据。结果表明,当增加超颖表面的椭圆基元的长短轴长度时,材料的等效折射率增加,并且适用的波长范围增加到0.7μm~1.2μm;通过优化超表面结构参量,可实现在宽波带范围内的相位调控,进而获得聚焦光场的优化,在一定程度上可以代替传统光学元件实现光学聚焦。该研究结果在超分辨率成像及光刻等方面有一定参考价值,在一些特殊的需要亚波长结构调控光束的情况下可以使光路简单化,并且比传统的光学元件有着厚度方面的优势。     

基于几何相位的高透射型太赫兹超表面设计

文中提出一种基于几何相位的透射型超表面,通过对超表面单元结构的设计和排布实现了对入射圆极化波的波前任意操控和太赫兹涡旋波的产生。该超表面单元由典型的“三明治”型结构,即金属-介质-金属结构组成,顶层和底层金属图案均是由“C”型和矩形组成。利用几何相位原理,在工作频点下通过旋转金属结构对其相位进行调控,同时交叉极化透射幅度较高（>0.9）。通过对单元结构进行旋转编码,可以形成用于产生异常偏折现象、不同拓扑荷数涡旋光束的编码超表面。仿真结果表明,在0.63 THz处,设计的编码超表面能够对电磁波进行良好的调控,产生折射角为±50.1°和30°的异常折射现象,拓扑荷数l=±1两种模态的涡旋波束,在激光雷达和太赫兹大容量通信等领域具有潜在的应用价值。     

基于石墨烯/光子晶体混合结构的石墨烯表面等离激元波导

由于石墨烯的无带隙线性能级结构,使得石墨烯等离激元具有能量局域强,响应频段宽,传播距离长,并可由偏置电压动态调控等优良特性。文章设计石墨烯与光子晶体的混合结构,利用光子晶体的能带结构和线缺陷的特点,形成了石墨烯表面等离激元波导,通过改变石墨烯的费米能级,实现了石墨烯表面等离激元波导频率的调控。     

基于表面等离激元耦合调控石墨烯点阵结构

由于石墨烯的无带隙线性能级结构,使得石墨烯等离激元具有能量局域强,响应频段宽,传播距离长,并可由偏置电压动态调控等优良特性。文章利用不受光信号的入射角和偏振方向影响的石墨烯点阵结构,结合石墨烯之间的表面等离激元耦合,通过改变底层石墨烯的费米能级,实现了石墨烯点阵结构谐振频率的调控。     

新型功能超颖表面波前调制技术的发展与应用(特邀)

超颖表面作为一类智能表面,通常由特殊设计、加工而得到的特征尺寸接近或小于波长的亚波长纳米天线阵列构成。超颖表面能够实现光场的振幅、相位和偏振的人为调控,具有超薄、超小像素、宽带、低损耗、易加工等优势,设计灵活,功能强大。文中针对超颖表面在全息显示、波前调制和偏振转换、主动可调、非线性波前调控等方向进行综述,并展望未来发展趋势。超颖表面作为一种超薄的、微型化的波前调制器件,具有极大的信息容量,且更能适应未来高度集成的微型光电系统的发展要求,在全息显示、光束整形、涡旋光束的产生、数据存储、加密与防伪、超透镜与色散控制、彩色印刷、非对称传输、非线性光学、光的自旋霍尔效应、光通信与集成光电子学等应用领域提供了潜在的可行性和新的视角,有望取代传统光电器件,展现出了广阔的发展前景。     

紧聚焦的角向偏振艾里光束产生超分辨光针

为了研究角向偏振艾里光束的紧聚焦特性,采用理查德-沃夫矢量衍射理论分析优化了艾里光束的指数衰减因子、主环半径与比例因子对其入射光场分布的影响;分别研究了角向偏振艾里光束聚焦场分布与涡旋滤波器调制的角向偏振艾里光束的聚焦场分布,得到亚波长的角向中空场分布与亮场分布,实验结果与理论模拟基本一致。进一步利用粒子群算法设计多环涡旋相位滤波器调制角向偏振艾里光束,紧聚焦后得到了超长无衍射超分辨的横向偏振光针。结果表明,光针的半峰全宽为0.395λ,聚焦深度为37.432λ,纵横比达到94.788;通过计算斯托克斯参量分析聚焦光场的偏振分布,发现聚焦光场在径向偏振与角向偏振之间交替变化,且光束中心奇异点消失,实现了横向偏振的亮场分布。该研究在高密度的磁光存储、超分辨的光学成像、纳米光刻与粒子操作等领域具有广泛的应用。     

基于双环混合偏振矢量光束实现光学囚笼实时操纵的理论研究

理论上提出了一种通过调节双环混合偏振矢量光束的偏振态来实现光学囚笼实时操纵的新方法。双环混合偏振矢量光束是由双环径向光束通过一个波片后形成的,光束偏振将变为包含线偏振、圆偏振和椭圆偏振的混合状态,且偏振态强烈依赖于空间位置和相位延迟角度。利用衍射积分公式数值模拟了双环混合偏振矢量光束经过强聚焦系统后在焦点附近的强度分布。数值结果显示当相位延迟角度为0时能形成光学囚笼,当相位延迟角度不为0时能控制光学囚笼打开的程度。将液晶可调相位延迟器(LCVR)作为可调波片,LCVR可以由外部电压实时控制使其相位延迟角度能在0～π之间连续取值,这样就可以通过调节LCVR的外接电压实现焦平面光学囚笼的实时开和关。     

Multiplexed Nondiffracting Nonlinear Metasurfaces

Metasurfaces and planar photonic nanostructures have drawn great interest from the optical scientific community due to their diverse abilities of manipulating electromagnetic waves and high integration. Most metasurfaces launch diffracting waves, and thus suffer from divergence, short working distance, and instability. Although much effort has been devoted to researching nondiffracting metasurfaces which can launch electromagnetic waves with constant transverse intensity profiles in free‐space propagation, the number of working channels is inherently limited as these meta‐devices are implemented in the linear optical regime. Here, the multiplexed nondiffracting nonlinear metasurfaces are theoretically proposed and experimentally realized, which can generate the representative nondiffracting Bessel beam and Airy beam. Three Bessel beams with different numerical apertures and topological charges and three Airy beams with different propagation curves and focal lengths can be generated by a combination of different spins and wavelengths. The complex properties of the nondiffracting beams can be designed and detected in a more comprehensive and concise way with Fourier analysis. This proof‐of‐concept represents a new strategy for realizing multiplexed nondiffracting metasurfaces with advantages of ultracompactness, high‐pixelation, and easy integration and paves the way for multi‐channel optical communication and manipulation.     

Airy光束在Λ型三能级EIT介质中的传输特性研究

研究了艾里光束（Airy beams）在EIT介质中的传输性质。利用ABCD矩阵光学理论,推导出Airy光束在EIT介质中的传输解析表达式。计算结果表明,Airy光束的自加速偏转和光强分布都可以通过控制光的拉比频率调控。该研究结果对人们利用Airy光束在光学操控以及生物医学中的应用都具有十分重要的潜在应用价值。     

All‐Dielectric Programmable Huygens' Metasurfaces

Low‐loss nanostructured dielectric metasurfaces have emerged as a breakthrough platform for ultrathin optics and cutting‐edge photonic applications, including beam shaping, focusing, and holography. However, the static nature of their constituent materials has traditionally limited them to fixed functionalities. Tunable all‐dielectric infrared Huygens' metasurfaces consisting of multi‐layer Ge disk meta‐units with strategically incorporated non‐volatile phase change material Ge₃Sb₂Te₆ are introduced. Switching the phase‐change material between its amorphous and crystalline structural state enables nearly full dynamic light phase control with high transmittance in the mid‐IR spectrum. The metasurface is realized experimentally, showing post‐fabrication tuning of the light phase within a range of 81% of the full 2π phase shift. Additionally, the versatility of the tunable Huygen's metasurfaces is demonstrated by optically programming the spatial light phase distribution of the metasurface with single meta‐unit precision and retrieving high‐resolution phase‐encoded images using hyperspectral measurements. The programmable metasurface concept overcomes the static limitations of previous dielectric metasurfaces, paving the way for “universal” metasurfaces and highly efficient, ultracompact active optical elements like tunable lenses, dynamic holograms, and spatial light modulators.     

Tunable Metasurfaces Based on Active Materials

Metasurfaces, planer artificial materials composed of subwavelength unit cells, have shown superior abilities to manipulate the wavefronts of electromagnetic waves. In the last few years, metasurfaces have been a burgeoning field of research, with a large variety of functional devices, including planar lenses, beam deflectors, polarization converters, and metaholograms, being demonstrated. Up to date, the majority of metasurfaces cannot be tuned postfabrication. Yet, the dynamic control of optical properties of metasurfaces is highly desirable for a plethora of applications including free space optical communications, holographic displays, and depth sensing. Recently, much effort has been made to exploit active materials, whose optical properties can be controlled under external stimuli, for the dynamic control of metasurfaces. The tunability enabled by active materials can be attributed to various mechanisms, including but not limited to thermo‐optic effects, free‐carrier effects, and phase transitions. This short review summarizes the recent progress on tunable metasurfaces based on various approaches and analyzes their respective advantages and challenges to be confronted with. A number of potential future directions are also discussed at the end.     

基于石墨烯超材料的可调谐电磁诱导透明

提出了一种基于石墨烯超材料的可调谐电磁诱导 透明(EIT)结构,该结构是由长条-半圆环形状的石墨烯层和 介质基底组成。通过频域有限差分法研究了该结构的特性,研究结果表明,由于石墨烯条和 石墨烯半圆环之间发生相互 作用,产生较弱的杂化,从而可以观察到EIT透明窗口。更重要的是,通过控制门电压,改 变石墨烯的费米能级,可以 在较宽的频率范围内实现透明窗口的动态调谐。通过调节石墨烯的费米能级,在透射峰附近 群延迟接近0.4ps。同时还研 究了石墨烯条和半圆环间的距离、圆环的半径、方位角等几何参数对EIT效应的影响,这些 因素的改变对EIT 效应产生 了不同的影响。本文设计的超材料结构可应用于调制器和慢光器件等,对光开关、光存储等 新型器件的设计有重要的指导意义。     

An ASIC for Hartmann-Shack wavefront detection

An analog VLSI circuit facilitating the focal point position detection in a Hartmann-Shack wavefront sensor for optical wavefront measurements is presented. Detecting the lateral deviation of each focal point of the Hartmann-Shack sensor's lens array caused by the partial distortion of the aberrated wavefront within the according lens, the phase information of the light beam can be retrieved. With the future aim of measuring optical distortions of the human eye, the ASIC is optimized to process an optical incident power of 1 nW per focal point. To prevent spatial aliasing of the focal point positions due to the eye's inherent movements during measurement, the signal processing circuits are designed to allow frame repetition rates of wavefront measurement of several hundred hertz. Experimental measurements of optical lenses show the capability of the prototype ASIC of measuring focal point position deviations relating to spherical and cylindrical wavefront aberrations with a dynamic range of ±1 diopters at an accuracy of ±0.15 diopters. The incident power of 1 nW per focal point thereby allows integration periods of 1 ms for position detection     

基于空间光调制器的艾里光束能量调制方法

艾里光束由于具有无衍射、自加速和自愈合等特性,具有重要的应用前景。本文基于空间光调制器可编程特性,提出了一种可调谐的艾里光束能量调制新方法。从理论上深入分析通过在相位图中引入一个可控的调制相位而实现了艾里光束能量调控的方法,并且量化了调制参数与能量调制范围的关系。仿真和实验结果表明通过改变调制相位可以灵活地调节光束能量分布,本文的研究有助于进一步推动艾里光束的应用。     

非线性超构表面:谐波产生与超快调控

超构表面是指由亚波长结构构成的纳米光学天线阵列。在合适的激发条件下,纳米天线可以产生共振,实现近场增强,进而增强非线性光学效应。相较于传统非线性光学晶体,超构表面集成度较高,有利于实现小型化的高效非线性光源。由于光只传播亚波长的距离,针对非线性谐波产生等应用,超构表面具有无需考虑相位匹配的优势。此外,超构表面具有亚波长的空间分辨率,通过对结构单元的设计和排列,可以实现对非线性谐波的相位、偏振和振幅的灵活调控。该综述针对超构表面在光学频率转换、非线性波前调控以及超快全光调控等领域的国内外近期工作进行了总结,并对非线性超构表面在走向实际应用中面临的挑战和进一步的发展方向进行了展望。