宽带消色差红外光学超构透镜研究进展（特邀）

超构透镜是由亚波长散射单元结构排列而成的具有聚焦功能的平面二维超构表面。超构表面能够在亚波长尺度上操控光场的振幅、相位、色散和偏振态,是近年来迅速发展起来的新型光场调控载体。亚波长共振纳米结构使得高阶衍射被抑制,入射光场可以完美地被调制到设计的衍射级次上,从而确保了超构表面器件具有高的光子调控效率。同时,超构单元在设计上的灵活性及其特定的电磁响应使得超构表面可以实现对光场多个维度的定制化操控。不同于传统光学透镜依赖光传播的相位累积效应,宽带消色差超构透镜通过对光场相位和相位色散的同时独立调控解决了传统通过级联多个透镜修正色差造成的光学系统复杂和体积庞大限制,为发展小型化片上集成光学提供了全新的思路。文中围绕超构透镜的相关研究,首先介绍了超构表面调控光场振幅、相位和偏振态的基本原理,在此基础上,重点回顾了近年来关于超透镜的研究发展,包括通过单一参量调控的单波长超透镜的实现,以及通过对光场偏振、相位及相位色散的多参量联合调控的多功能宽带消色差超构透镜的发展现状,最后讨论其进一步发展的可能挑战与应用前景。     

免偏振敏感消色差超构镜设计研究

超构透镜作为一种灵活调控空间光场相位、振幅及偏振的有效选择,在超分显微成像中受到了广泛的关注。为了提高多波长显微成像的分辨率,解决传统光学系统结构厚重、设计复杂等问题,基于相位补偿理论,运用传输相位法以及粒子群优化算法,设计了一种基于二氧化钛纳米单元柱的反射式消色差超构透镜,在500~550 nm之间实现了恒定聚焦,且该透镜具有偏振不敏感的特性。与数值孔径相同但有色散的超构透镜的对比结果有效证实了该超构透镜的消色差功能。所设计的透镜可应用于多波长显微成像系统中并提高成像的分辨率。此外,该消色差透镜在数码相机和光学仪器等领域中也有较好的应用价值。     

用于非易失性相变存储器中Si2Sb2Te5在CF4/Ar等离子体下的反应离子刻蚀

Phase change random access memory（PCRAM） is one of the best candidates for next generation nonvolatile memory,and phase change Si₂Sb₂Te₅ material is expected to be a promising material for PCRAM.In the fabrication of phase change random access memories,the etching process is a critical step.In this paper,the etching characteristics of Si₂Sb₂Te₅ films were studied with a CF₄/Ar gas mixture using a reactive ion etching system.We observed a monotonic decrease in etch rate with decreasing CF4 concentration,meanwhile,Ar concentration went up and smoother etched surfaces were obtained.It proves that CF4 determines the etch rate while Ar plays an important role in defining the smoothness of the etched surface and sidewall edge acuity.Compared with Ge₂Sb₂Te₅, it is found that Si₂Sb₂Te₅ has a greater etch rate.Etching characteristics of Si₂Sb₂Te₅ as a function of power and pressure were also studied.The smoothest surfaces and most vertical sidewalls were achieved using a CF₄/Ar gas mixture ratio of 10/40,a background pressure of 40 mTorr,and power of 200 W.     

硫系玻璃Ge28Sb12Se60薄膜光学非线性增强色散特性

采用真空热蒸发以及退火工艺制备了支持局域表面等离激元的微纳结构薄膜,在此薄膜上蒸镀了硫系玻璃Ge₂₈Sb₁₂Se₆₀薄膜。应用Z-扫描技术,在飞秒激光脉冲激发下研究其光学非线性增强的色散特性,在650 nm和850 nm波段观察到了非线性吸收增强;非线性折射率随着波长的增加由负变正。通过扫描电子显微镜和透过光谱表征和分析了硫系玻璃Ge₂₈Sb₁₂Se₆₀薄膜非线性吸收增强的原理,非线性吸收随着波长的增加由单光子吸收为主逐渐转变为双光子吸收为主;银膜的微纳结构导致硫系玻璃薄膜的共振中心频率发生了偏移。实验制备的用于增强硫系玻璃非线性的微纳结构制作简单,无需复杂光刻工艺,为非线性光子学器件的设计提供了新的思路。     

Ge-As-Se-Te硫系玻璃的飞秒激光损伤特性

Ge-As-Se-Te（GAST）硫族化物玻璃拥有超过20 μm的超宽透射范围,是一种可应用于中红外（MIR）和远红外(FIR)波段的优良光学材料。通过熔融淬火法制备了Ge_xAs_40?xSe₄₀Te₂₀（x = 0、10、20、30、40 mol%）系列硫系玻璃,采用不同波长（800 nm,3 μm和4 μm）、功率和重复频率的飞秒激光辐照硫系玻璃,利用扫描电子显微镜（SEM）和拉曼光谱等手段研究了GAST的激光损伤特性。研究结果发现,Ge_xAs_40-xSe₄₀Te₂₀玻璃的激光诱导损伤阈值（LIDT）随着样品中Ge含量的增加而增加,在800 nm下Ge₃₀As₁₀Se₄₀Te₂₀玻璃的LIDT达到最高40.16 mJ/cm2。随着飞秒激光波长增加,系列玻璃的LIDT也逐步增加,Ge₃₀As₁₀Se₄₀Te₂₀在4 μm激光辐照下LIDT达到81.09 mJ/cm2。此外,研究结果表明样品LIDT随着激光的脉冲辐照数量和重复率的增加将逐渐减小。     

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。     

微波段超构表面对电磁波波前的调控研究

文章回顾总结了本课题组近期关于微波段超构表面的研究进展。首先推导了单层超构表面的透射效率极限值,并设计实现了对交叉圆极化电磁波波前的有效人工调控。进一步基于等效滤波器的理论模型,推导了多层超表面的基本结构特性,在此基础上设计了能够分别工作于线极化及圆极化入射波条件下的多层超构透镜,实现了微波涡旋波束的高效激发,以及对正交圆极化的内在对称性进行人为解耦等多重波前调控。经过一系列的仿真分析和实验验证,我们所设计的微波段单层、多层超构表面均可产生符合预期理论设计的调控结果。这些研究进展为电磁波调控器件的平面化提供了有效的理论依据,加快了超构表面在无线通信技术领域的应用和发展。     

基于GST薄膜的弯曲波导相变光学器件光学仿真与分析

研究了相变光学器件的光传输性能,使用时域有限差分法建立覆盖Ge₂Sb₂Te₅(GST)薄膜的弯曲波导模型,得到了在晶态和非晶态两种情况下GST的面积、厚度和在弯曲波导中的位置对光传输效率及损耗的影响规律。结果表明：GST的最优覆盖面积为0.415μm²,厚度为17 nm,器件光传输不受GST覆盖位置影响,光传输对比度最佳达到90.8%,插入损耗低至0.321 dB,在1 500～1 670 nm波长范围内能够实现宽光谱并行传输。该器件尺寸小,消光比大,理论上满足提高光计算准确率的需求。研究结果对于非易失性、并行集成光子矩阵计算单元器件的研制具有一定的参考意义。     

超表面透镜偏振可切换的多通道功能复用

超表面概念的提出为研究平面化和超薄的光学元器件提供了一种全新的设计思路。传统的几何相位型的超表面透镜受制于偏振锁定的限制,阻碍了其实现多功能的复用。文章提出了一种通过几何相位实现超表面透镜偏振解耦的方法。进一步,利用该方法作者实现了超表面聚焦透镜在纵向以及纵向和横向实现多通道功能（如聚焦光斑和聚焦涡旋）的复用和偏振可切换特性。相关研究为实现多功能可集成的平面化器件提供了新的研究思路。     

太赫兹大视场宽带消色差超构透镜北大核心CSCD

基于超构透镜的太赫兹成像系统因紧凑的体积受到广泛关注。现有太赫兹超构透镜仅能实现消色差或大视场成像，需要大视场宽带消色差超构透镜来进一步提升太赫兹系统的成像质量。文中介绍了一种工作在0.3～0.5THz，数值孔径0.707，直径10mm，视场100°的太赫兹大视场消色差硅基超构透镜。该超构透镜采用了二次非球面型相位剖面，减小了轴外像差，实现了大视场；选取了相位和色散满足要求的单元进行布阵，消除了色差。因此，它有望被广泛应用在生物检测、太赫兹成像等领域。     

聚焦强度可调的高数值孔径的双焦点超透镜

基于超表面对光波的振幅、相位和偏振进行调控来实现聚焦与成像的超透镜受到广泛关注。设计了一种聚焦强度可调的高数值孔径的双焦点超透镜，并进行了理论分析和仿真验证。仿真结果表明，该超透镜能有效地将圆偏振入射光聚焦到半高宽为0.44λ的光斑上，对应的数值孔径高达0.95。此外，通过改变入射光的偏振态，可以灵活地调制两个焦点的相对强度，而不同于以往的双焦点超透镜需要对光强进行重新组合。更重要的是，当圆偏振光入射时，它的聚焦效率可达65%，可适用在0.8~1.2 THz的较宽频率范围和0°~20°的入射角内，同时该工作为多焦点超透镜的设计提供了重要思路，也将在多成像系统、光学层析成像技术等许多领域具有较高的应用价值。     

Symmetry‐Breaking Response of Azo Molecular Glass Microspheres to Interfering Circularly Polarized Light: From Shape Manipulation to 3D Patterning

This work investigates symmetry‐breaking deformation of azo molecular glass microspheres induced by interfering circularly polarized light, and related particle shape manipulation as well as 3D patterning. The isolated microspheres and microsphere monolayers are obtained from an azo molecular glass (IA‐Chol) by the solution dispersion method and soft‐lithography, respectively. Unique symmetry‐breaking deformation is observed for the microspheres upon exposure to the spatially modulated light field, which is produced by interference of two orthogonally polarized laser beams with the right‐circular polarization (RCP) and left‐circular polarization (LCP). Two distinct deformation modes are developed upon the irradiation with the interfering beams in RCP:LCP and LCP:RCP superposition manners, respectively. The unique morphologies with the symmetry‐breaking characteristics are caused by mass transfer induced by the light irradiation. For the microsphere monolayers, the deformations of the microspheres not only capture and record the polarization states of the light field, but also create various surface patterns combining the symmetry‐breaking deformations and periodic surface modulation. A variety of unique surface patterns are obtained by irradiation with the interfering circularly polarized waves with the orthogonal and also the same‐handed polarizations. The material and methodology developed in this study are promising for applications in sensing, optics, responsive surfaces, and others.     

Beyond 240 Gb/s per Wavelength Optical Transmission Using Coded Hybrid Subcarrier/Amplitude/Phase/Polarization Modulation

In this letter, we propose a low-density parity-check coded hybrid subcarrier/amplitude/phase/polarization (H-SAPP) modulation scheme suitable to achieve a 240-Gb/s single-channel transmission rate over optical channels. The proposed scheme doubles the aggregate transmission rate achievable by eight-quadrature amplitude modulation while providing 2-dB optical signal-to-noise ratio performance improvement at a bit-error-ratio (BER) of $10^{-6}$ . Moreover, H-SAPP can increase the aggregate rate of the hybrid amplitude/phase/polarization scheme while maintaining the BER performance intact.      

基于石墨烯太赫兹超表面的特殊波束动态调控

现有的大多数特殊波束(聚焦波束、艾里光束等)超表面通常采用金属结构单元,通过改变单元结构的尺寸和旋转角度等方式进行单一的波前调控,但对动态调谐波前的特殊波束超表面的研究很少。本文突破传统结构的壁垒,利用石墨烯独特的电可调性,构造出利用石墨烯费米能级动态调控波前的特殊波束超表面,可在动态调控波前上实现更灵活的自由性,满足更多、更复杂的相位需求。通过调控石墨烯费米能级获得不同的相位分布,动态调控焦点的空间位置、聚焦开关与焦点个数之间的切换以及影响艾里光束的参数等。所提出的动态调控波前特殊波束超表面可为太赫兹在高分辨成像、聚焦可调平面透镜、光学显微操作、激光微加工、光学子弹成型等方面的应用提供参考。     

Performance evaluation of waveguide phase modulators for coherent systems at 1.3 and 1.5 µm

This article describes the fabrication and performance evaluation ofX-cut andZ-cut Ti:LiNbO3traveling wave waveguide phase modulators designed for coherent systems applications at 1.3 and 1.5 μm. Details of device fabrication and measurements of phase shift as a function of optical wavelength, input polarization, modulation voltage, and modulation frequency are reported. Phase modulator performance in a 40-Mbit/s self-heterodyne coherent DPSK experiment is also discussed.     

激光时空特性对双光束相干合成影响分析

从标量衍射理论出发,分析了相干合成光束远场光强的分布特性,并以两路单元激光为例讨论了激光输出时空特性参数初相位、波前、偏振等特性对相干合成远场光强分布的影响,阐明了相干合成的高功率固体激光器必须采用同一个单频窄线宽种子源分束放大技术的原因,并结合高功率固体激光器实际结构特点与可采取的技术手段,提出光路差、光强比、偏振度...     

光束轨道角动量谱的测量技术研究进展（特邀）

自Allen等证明具有螺旋相位波面的激光束携带有轨道角动量以来,对光束轨道角动量调控技术的研究取得了跨越式的发展,获得了包括相位涡旋光束、矢量涡旋光束、激光束阵列等多种新型结构光场,在超大容量光通信、遥感探测、激光加工、高分辨率成像等领域展现出广阔的应用前景。准确测量光束的轨道角动量是其应用的重要基础,早期人们更多地关注对待测光束所包含的轨道角动量成分分布的测量,后来逐步拓展至对各个轨道角动量成分的强度比重即轨道角动量谱的测量。文中系统地回顾并总结近年来光束轨道角动量谱测量技术的发展,主要介绍了包括基于衍射、模式分束等方法的新型光束轨道角动量谱测量技术。     

Research on the design of metalens with achromatic and amplitude modulation

Metalenses are two-dimensional planar metamaterial lenses, which have the advantages of high efficiency and easy integration. However, most metalenses cannot modulate the light intensity, which limits their applications. To deal with it, taking advantage of flexible regulation of the beam amplitude and phase by the metalens, the geometric phase method is selected to design the dual-function metalens. It can effectively eliminate chromatic aberration in a visible light band from 535 nm to 600 nm and achieve amplitude modulation. After transmitting the metalens, the amplitudes of the beam respectively turn into 0.2 and 0.9. In this way, the amount of transmission of metalens in the preset band can be quantitatively controlled. According to the distribution characteristics of light diffraction intensity, the metalens designed can play a dual modulation role of achromatism and interference double-beam equilibrium in the paper, to meet the needs of miniaturization and integration of the optical system. The achromatic and amplitude-modulated metalens will have great application potential in optical holographic imaging and super-resolution focusing.