超表面

更新时间:2023-07-21 19:40

超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。 超表面可视为超材料的二维对应。

根据面内的结构形式,超表面可以分为两种:一种具有横向亚波长的微细结构,一种为均匀膜层。

根据调控的波的种类,超表面可分为光学超表面、声学超表面、机械超表面等。光学超表面是最常见的一种类型,它可以通过亚波长的微结构来调控电磁波的偏振、相位、振幅、频率等特性,是一种结合了光学与纳米科技的新兴技术。

(1)超表面对偏振的调控。在偏振方面,超表面可实现偏振转换、旋光、矢量光束产生等功能。

(2)超表面对振幅的调控。超表面可以实现光的非对称透过、消反射、增透射、磁镜、类EIT效应等。

(3)超表面对频率的调控。超表面的微结构在共振情况下可实现较强的局域场增强,利用这些局域场增强效应,可以实现非线性信号或荧光信号的增强。在可见光波段,不同频率的光对应不同的颜色,超表面的频率选择特性可以用于实现结构色。我们在自然界中看到的颜色从产生原理上可以分为两大类,一类是由材料的反射、吸收、散射等特性决定的颜色,比如常见的颜料、塑料袋的颜色等;另一类是由物质的结构,而不是其所用材料来决定的颜色,即所谓的结构色,比如蝴蝶的颜色、某些鱼类的颜色等。人们利用超表面,可以通过改变其结构单元的尺寸、形状等几何参数来实现对超表面的颜色的自由调控,可用于高像素成像、可视化生物传感等领域。

(4)超表面对相位的调控。相位是电磁波的一个核心属性,等相位面决定了电磁波的传播方向,一副图像的相位则包含了其立体信息。通过控制电磁波的相位,可以实现光束偏转、超透镜、超全息、涡旋光产生、编码、隐身、幻像等功能。

(5)超表面对电磁波多个自由度的联合调控。超表面可以实现对电磁波相位振幅偏振等自由度的同时调控。比如,通过对电磁波的相位和振幅的联合调控,可以实现立体超全息,通过对电磁波的相位和偏振的联合调控,可以实现矢量涡旋光;通过对电磁波的相位和频率的联合调控,可以实现非线性超透镜等功能。

(6)超表面对波导模式的调控。可将“超构光学”的概念与各类光波导平台相结合,将超构表面或超构材料集成在各类光波导结构上,则可以在亚波长尺度下对波导中的光信号进行灵活自由的调控。利用上表面集成了超构表面的介质光波导结构,可以实现多功能的光耦合、光探测、偏振/波长解复用、结构光激发、波导模式转化、片上光信号变换、光学神经网络、光路由等应用。

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