李占成，劉文瑋，程 化，陳樹琪,2

(1.南開大學(xué) 物理科學(xué)學(xué)院 泰達(dá)應(yīng)用物理研究院弱光非線性光子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300071; 2.山西大學(xué) 極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心,山西 太原 030006)

1 光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)光場調(diào)控研究現(xiàn)狀

1.1 光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)簡介

實(shí)現(xiàn)對(duì)光場的任意操控，從而產(chǎn)生新的光學(xué)現(xiàn)象和獲得具有所需光學(xué)功能的光學(xué)器件是光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域的重要研究目標(biāo)之一. 在傳統(tǒng)光學(xué)中，對(duì)光場的操控主要通過控制光波在具有不同折射率的介質(zhì)中的傳播距離來實(shí)現(xiàn). 一方面，由于自然界中已有材料的電容率ε的變化范圍非常有限，且其磁導(dǎo)率μ由于材料分子與光波磁場微弱的相互作用近乎全部趨于1，因此它們的折射率變化非常有限，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)光場的任意控制；另一方面，由于自然界已有材料對(duì)光場的操控依賴于光波在其內(nèi)部的傳播距離，因此現(xiàn)有的光學(xué)器件多具有較大的體積和重量，無法在小型化、輕質(zhì)化和集成化的微納光學(xué)系統(tǒng)和片上集成光學(xué)系統(tǒng)中被使用[1-3]. 21世紀(jì)以來，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)光場的有效操控并獲得小型化和輕質(zhì)化的微納光學(xué)器件成為了微納光學(xué)和光子學(xué)研究領(lǐng)域的熱門話題.

光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)是具有亞波長尺度結(jié)構(gòu)單元的人造光學(xué)材料，其光學(xué)性質(zhì)主要由其微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參量決定而非其組成成分. 光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的提出為實(shí)現(xiàn)對(duì)光與物質(zhì)相互作用的增強(qiáng)和有效控制提供了全新方式，為光學(xué)器件的小型化、輕質(zhì)化和集成化提供了全新手段. 光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和發(fā)展，最初源于對(duì)材料電容率和磁導(dǎo)率組成的參量空間的拓展和開發(fā)，以獲得自然界中現(xiàn)有材料所不具備的全新光學(xué)性質(zhì). 1968年，蘇聯(lián)科學(xué)家V. G. Veselago對(duì)電容率ε和磁導(dǎo)率μ同時(shí)為負(fù)值的材料的光學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了理論研究，證明了在該材料中存在負(fù)折射現(xiàn)象[4]. 然而由于自然界中并沒有電容率ε和磁導(dǎo)率μ同時(shí)為負(fù)值的材料，因此負(fù)折射現(xiàn)象在自然界中并沒有被觀察到. 21世紀(jì)初，美國加利福尼亞大學(xué)D. R. Smith 教授通過將金屬棒和開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在微波波段獲得了電容率和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的人工微結(jié)構(gòu) (被稱為左手材料) 并在其中觀察到了負(fù)折射現(xiàn)象[5-6]. 左手材料的提出開啟了光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的大門，2003年被《Science》雜志評(píng)為當(dāng)年十大科技突破之一. 通過對(duì)人工微結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間中各個(gè)位置電容率和磁導(dǎo)率的有效控制. 因此利用人工微結(jié)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象，還可以實(shí)現(xiàn)包括電磁隱身、光學(xué)黑洞、超分辨成像、人造磁性介質(zhì)和完美透鏡在內(nèi)的多種全新的光學(xué)現(xiàn)象和光學(xué)功能[7-8]. 人們將電容率和磁導(dǎo)率可以人為設(shè)計(jì)的三維光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)稱為超材料(Metamaterials)， 如圖1(a)所示. 圖1(b)給出了基于超材料實(shí)現(xiàn)電磁隱身的示意圖，這是超材料最為人們所熟知的應(yīng)用領(lǐng)域之一[9]. 在21世紀(jì)前10年，超材料相關(guān)研究為微納光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域帶來了一場革命，2010年被《Science》雜志評(píng)為21世紀(jì)前10年十大科學(xué)成就之一.

雖然超材料在光場調(diào)控方面取得了巨大的成功，但是其本身也存在一定的不足,例如在與光波相互作用過程中存在一定的損耗. 此外，超材料作為三維人造結(jié)構(gòu)，不易于加工與制備；特別是在高頻段，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的超材料對(duì)加工制備工藝提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn). 2011年，哈佛大學(xué)F. Capasso教授及其研究團(tuán)隊(duì)利用平面人工微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)光波相位在亞波長尺度下的有效控制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)光波的異常折射[10]. 相比于具有三維空間結(jié)構(gòu)的超材料，平面光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)易于加工且在與光波相互作用過程中損耗較低，因此受到了相關(guān)研究領(lǐng)域研究者越來越多的關(guān)注. 平面光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)可以看作超材料的二維對(duì)應(yīng)，故而人們將其命名為超表面(Metasurfaces), 如圖1(c) 和1(d) 所示. 由于超表面本身的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長，因此其等效電容率和磁導(dǎo)率在設(shè)計(jì)中并不會(huì)被關(guān)注太多，人們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中更多的是通過調(diào)整光波在超表面界面處的透射或反射函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)光波相位、振幅和偏振態(tài)的操控. 利用超表面在亞波長尺度下對(duì)光波相位、振幅和偏振態(tài)的有效控制，包括計(jì)算全息成像、超透鏡、結(jié)構(gòu)色和多功能器件在內(nèi)的多種全新的光學(xué)功能和器件被先后實(shí)現(xiàn)[11-13]. 雖然超表面作為平面結(jié)構(gòu)能夠有效地降低光波與微結(jié)構(gòu)相互作用過程中的損耗，但與此同時(shí)也使得光與微結(jié)構(gòu)相互作用的區(qū)域變得非常有限，從而造成了早期超表面設(shè)計(jì)的工作效率都很低. 例如，基于金屬材料的超表面產(chǎn)生異常折射現(xiàn)象的效率的理論上限為25%[14]. 因此，如何提高超表面的工作效率是該研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一. 一方面，研究者提出通過采用“金屬薄膜-電介質(zhì)層-金屬微結(jié)構(gòu)”這種三明治結(jié)構(gòu)來有效地增強(qiáng)反射模式下超表面的工作效率[15]. 另一方面，研究者利用損耗很低的電介質(zhì)材料代替金屬材料作為超表面的構(gòu)成成分，獲得了近乎無損耗的超表面[16].

(a)超材料 (b)超材料實(shí)現(xiàn)電磁隱身

(c)超表面 (d)超表面實(shí)現(xiàn)異常折射

(e)少層超表面 (f)少層超表面實(shí)現(xiàn)全空間光調(diào)控圖1 多種人工微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其典型應(yīng)用

超表面雖然能夠在亞波長尺度下實(shí)現(xiàn)對(duì)光場振幅、相位和偏振態(tài)的有效控制. 但是由于超表面是二維平面結(jié)構(gòu)，因此其單元結(jié)構(gòu)均存在一定的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，故而其散射矩陣中的各矩陣元素不相互獨(dú)立，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)透射和反射光波的同時(shí)操控[17-18]. 少層超表面的提出為光場的全空間操控提供了一種有效方式；在少層超表面中，可以通過對(duì)單元結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的合理設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)其散射矩陣各個(gè)矩陣元素的獨(dú)立控制，從而在透射和反射模式下同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)光場的有效操控，如圖1(e)和1(f)所示[19-21]. 除此之外，少層超表面中豐富的層間相互作用機(jī)制,如多波干涉效應(yīng)、近場耦合效應(yīng)和層間波導(dǎo)效應(yīng)等,為光與超表面相互作用的有效增強(qiáng)提供了全新的方式[22-26]. 值得一提的是，層間弱耦合的少層超表面設(shè)計(jì)也為多波長下多種光學(xué)功能的集成提供了有效手段[27-29]. 少層超表面既規(guī)避了超材料與光波相互作用過程中較高的損耗和結(jié)構(gòu)本身設(shè)計(jì)復(fù)雜的缺點(diǎn)，也解決了超表面與光場相互作用強(qiáng)度有限的問題，同時(shí)其散射矩陣各矩陣元素可以被獨(dú)立設(shè)計(jì)，是介于超材料(三維)和超表面(二維)間的新型人工光學(xué)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). 在少層超表面設(shè)計(jì)中，人們?cè)诳紤]結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的基礎(chǔ)上，通過在層間引入近場耦合效應(yīng)等光與微結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)制，在增強(qiáng)其工作效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)其散射矩陣各個(gè)矩陣元素的分立調(diào)控，從而在全空間中實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的有效操控. 少層超表面散射矩陣可以人為任意設(shè)計(jì)的特點(diǎn)使得少層超表面在全空間集成微納光學(xué)器件的研發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景. 可以預(yù)見，少層超表面的相關(guān)研究將成為人工光學(xué)微結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展方向之一.

1.2 光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)光場調(diào)控研究

光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)可以在亞波長尺度下實(shí)現(xiàn)對(duì)光場振幅、相位和偏振態(tài)任意調(diào)控的特點(diǎn)，使得其在光場調(diào)控和新型光場構(gòu)筑方面具有重要的研究價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景. 2017 年國家自然科學(xué)基金委員會(huì)發(fā)布新型光場調(diào)控物理及應(yīng)用重大研究計(jì)劃，將超材料與超表面等人工納微結(jié)構(gòu)調(diào)控光場的產(chǎn)生、傳輸、操控與表征的相關(guān)研究列為新型光場多維度精確構(gòu)建、調(diào)控及表征方向的3個(gè)主要研究內(nèi)容之一，凸顯了光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)在相關(guān)領(lǐng)域的重要研究地位.

圖2展示了光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光場單維度與雙維度聯(lián)合調(diào)控所對(duì)應(yīng)的典型應(yīng)用領(lǐng)域[2]. 目前，人們利用光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光場在單個(gè)維度上的有效控制. 基于光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)光波在2個(gè)維度上的聯(lián)合調(diào)控是光場調(diào)控研究領(lǐng)域當(dāng)前的熱門方向.

圖2 光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)光場調(diào)控應(yīng)用

(a)偏振光學(xué)防偽 (b)偏振光學(xué)成像

圖3給出了目前光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)光場雙維度聯(lián)合調(diào)控研究中的典型應(yīng)用的示意圖. 例如，通過偏振依賴的光場強(qiáng)度調(diào)制可以在不同偏振下產(chǎn)生不同的灰度圖像，從而實(shí)現(xiàn)偏振光學(xué)防偽[26]. 通過在不同波長下實(shí)現(xiàn)對(duì)光波偏振態(tài)的分立控制，可以實(shí)現(xiàn)彩色偏振成像[30]. 通過在不同波長下實(shí)現(xiàn)對(duì)光波透過率的獨(dú)立控制可以實(shí)現(xiàn)高飽和度結(jié)構(gòu)色[31]. 通過對(duì)光波的振幅和相位同時(shí)控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光波衍射強(qiáng)度分布的有效控制[32]. 通過對(duì)光波相位的偏振依賴控制，可以實(shí)現(xiàn)不同光學(xué)功能的集成[33]. 通過在不同波長下實(shí)現(xiàn)對(duì)光波相位的控制，可以實(shí)現(xiàn)消色差透鏡[28]. 從上述典型應(yīng)用可以看出，光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)在光場調(diào)控研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，相關(guān)研究正如火如荼，方興未艾.

(c)結(jié)構(gòu)色 (d)光衍射強(qiáng)度控制

(e)多功能光器件 (f)消色差透鏡圖3 光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)光場雙維度聯(lián)合調(diào)控典型應(yīng)用

2 研究方法概述

光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)光場調(diào)控研究的研究流程可以簡要概括為理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、樣品加工和實(shí)驗(yàn)測試4個(gè)部分，如圖4所示.

圖4 光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)研究方法

2.1 理論分析

理論分析是光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)光場調(diào)控研究中最重要的組成部分. 理論分析研究可以概括為2個(gè)主要研究內(nèi)容：1) 微結(jié)構(gòu)與光場相互作用物理機(jī)制研究；2) 新現(xiàn)象和新功能實(shí)現(xiàn)方法研究. 顧名思義，微結(jié)構(gòu)與光場相互作用物理機(jī)制研究旨在通過研究光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)與光波的相互作用機(jī)制，明確微結(jié)構(gòu)中對(duì)光場特定維度調(diào)控的實(shí)現(xiàn)與微結(jié)構(gòu)組成材料、結(jié)構(gòu)層數(shù)和結(jié)構(gòu)對(duì)稱性等結(jié)構(gòu)特征間的關(guān)系，從而指導(dǎo)微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). 惠更斯超表面的提出[34]、少層人工微結(jié)構(gòu)中多波干涉效應(yīng)的研究[35]、電介質(zhì)超表面中多級(jí)共振模式的研究[36]和對(duì)具有不同對(duì)稱性的微結(jié)構(gòu)的散射矩陣的規(guī)律分析[18]都屬于物理機(jī)制研究. 而新現(xiàn)象和新功能實(shí)現(xiàn)方法的研究則往往不涉及具體的微結(jié)構(gòu)，主要是從波動(dòng)光學(xué)理論和麥克斯韋方程出發(fā)得到產(chǎn)生新的光學(xué)現(xiàn)象或者獲得特定的光學(xué)功能所需要的光學(xué)響應(yīng)分布函數(shù)[37]，然后再根據(jù)相互作用物理機(jī)制研究的結(jié)果尋找具有該光學(xué)響應(yīng)分布函數(shù)的光學(xué)人工微結(jié)構(gòu). 光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)中負(fù)折射現(xiàn)象的實(shí)現(xiàn)[4]、消色差透鏡的設(shè)計(jì)[38-40]、光學(xué)多功能集成的設(shè)計(jì)[41]和光場自旋選擇透過的實(shí)現(xiàn)[42]等都屬于實(shí)現(xiàn)方法研究.

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要分為2步. 首先根據(jù)所需的光學(xué)響應(yīng)分布函數(shù)，按照光場與微結(jié)構(gòu)相互作用物理機(jī)制的研究結(jié)果確定微結(jié)構(gòu)特征，包括微結(jié)構(gòu)的組成材料、結(jié)構(gòu)層數(shù)、結(jié)構(gòu)對(duì)稱性、結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)參量變化范圍等. 在光學(xué)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，從已有的光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)中借鑒設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)于簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程具有重要的指導(dǎo)作用. 第二步在確定微結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上通過數(shù)值模擬的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而讓光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的光學(xué)響應(yīng)分布函數(shù)與理論要求相一致. 在數(shù)值模擬優(yōu)化過程中，主要針對(duì)結(jié)構(gòu)的形狀和大小等進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而調(diào)整光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的光學(xué)響應(yīng). 目前比較成熟的數(shù)值模擬軟件有COMSOL Multiphysics，CST MICROWAVE STUDIO和Lumerical FDTD solutions等. 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)在光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中起著舉足輕重的作用，對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)者來說，結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程往往能夠比新進(jìn)人員快出很多. 近來，研究證明通過在光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化中引入人工智能算法能夠幫助設(shè)計(jì)者更快地完成對(duì)于微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[43-45].

2.3 樣品加工

光波波段光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的加工主要通過電子束曝光技術(shù)、聚焦離子束加工技術(shù)、納米壓印技術(shù)、3D打印技術(shù)、干涉光刻技術(shù)和自組裝技術(shù)等來實(shí)現(xiàn). 在樣品加工的過程中，首先根據(jù)光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的組成成分、整體尺寸和結(jié)構(gòu)形貌選取合適的加工技術(shù)，要考慮加工技術(shù)的分辨率、可重復(fù)性、加工尺寸和加工費(fèi)用等因素. 之后再根據(jù)加工制作出的樣品決定是否需要重新進(jìn)行參量優(yōu)化. 在某些情況下，由于優(yōu)化后的微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形貌和尺寸在實(shí)際加工過程中不容易實(shí)現(xiàn)，或者在加工完成后不容易保持穩(wěn)定，需要進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)參量優(yōu)化并重新加工樣品. 例如，在電介質(zhì)超表面加工過程中，如果結(jié)構(gòu)的高寬比太大，加工完成后的樣品容易傾倒，從而破壞其光學(xué)響應(yīng). 因此在設(shè)計(jì)過程中就需要選擇合適的高寬比. 圖5展示了光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的2種典型的加工方式[26,46]. 從圖5中可以看出，基于電子束曝光技術(shù)的光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的加工流程主要包括甩膠、曝光、顯影、圖形轉(zhuǎn)移和去膠過程. 值得一提的是，微加工技術(shù)的不斷成熟也為光學(xué)人工微結(jié)構(gòu) 的發(fā)展提供了新的方向，例如中國科學(xué)院物理研究所微加工實(shí)驗(yàn)室提出了可以加工折疊人工微結(jié)構(gòu)的微加工技術(shù)，為人工微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開辟了新的思路[47].

(a)金屬人工微結(jié)構(gòu)樣品電子束曝光加工流程

(b)電介質(zhì)人工微結(jié)構(gòu)樣品電子束曝光加工流程圖5 光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)樣品的加工流程示意圖

2.4 實(shí)驗(yàn)測試

光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)光場調(diào)控研究的實(shí)驗(yàn)測試可以大致分為3個(gè)類型，即光譜測試、空間光場分布測試和近場測試. 光譜測試即測量光波經(jīng)過光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)后的透射、反射和吸收光譜. 空間光場分布測試則是測試光波經(jīng)過光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)后的空間分布情況，例如光聚焦、產(chǎn)生渦旋光束、產(chǎn)生全息圖像和光波前變向等. 而近場測試則是測試光波與光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)在結(jié)構(gòu)表面附近的電磁場分布情況，例如測量局域電場分布情況. 光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)光場調(diào)控的實(shí)驗(yàn)測試可以通過已有的商業(yè)化整機(jī)測試系統(tǒng)完成，例如光譜測試可以使用傅里葉變換光譜儀配合顯微成像系統(tǒng)完成，又如近場測試可以利用近場光學(xué)顯微鏡完成. 但是，在光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)光場調(diào)控研究中，多數(shù)的實(shí)驗(yàn)測試，特別是空間光場分布測試都是由研究人員自行搭建的微區(qū)測試系統(tǒng)完成的. 這主要是由于在實(shí)驗(yàn)測試過程中往往需要對(duì)入射和出射光波的光束直徑、波長和偏振態(tài)進(jìn)行控制，而商業(yè)化整機(jī)系統(tǒng)的改裝自由度比較有限，無法滿足不同情況下的測試需求. 圖6(a) 和圖6(b) 分別展示了在光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)光場調(diào)控研究中用于實(shí)現(xiàn)光譜測試和成像測試的2個(gè)實(shí)驗(yàn)光路[26,48].

(a)

(b)圖6 光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)樣品測試光路示意圖

3 實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)光場調(diào)控研究在光學(xué)和光子學(xué)諸多研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景. 接下來，將介紹課題組近年來在該領(lǐng)域的部分研究進(jìn)展.

3.1 少層電介質(zhì)超表面實(shí)現(xiàn)超高飽和度結(jié)構(gòu)色

顏色是自然界中視覺信息的重要載體. 合成對(duì)特定波長光波具有吸收和散射能力的化學(xué)染料是人為產(chǎn)生顏色的主要方式. 相比于利用化學(xué)染料產(chǎn)生的顏色，光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)中顏色的產(chǎn)生則是通過人為操控微結(jié)構(gòu)對(duì)特定波長光波的散射來實(shí)現(xiàn)的. 由于光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)中顏色的產(chǎn)生來源于微結(jié)構(gòu)對(duì)光波的散射，因此也被稱為結(jié)構(gòu)色. 光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色是一種非常環(huán)保的成色體系，具有高分辨率和高可控性等特點(diǎn). 目前，利用電介質(zhì)超表面 (例如非晶硅超表面[49]和二氧化鈦超表面[50]) 產(chǎn)生的顏色已經(jīng)覆蓋并擴(kuò)展到了sRGB色彩空間之外. 然而由于電介質(zhì)微結(jié)構(gòu)在與光波的相互作用過程中總會(huì)伴隨著高階共振模式的激發(fā)，從而在多個(gè)波段上產(chǎn)生對(duì)光的散射. 因此利用電介質(zhì)超表面無法完全實(shí)現(xiàn)僅在單一波段范圍內(nèi)對(duì)光波散射的操控，從而導(dǎo)致了所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色不具有超高的飽和度. 我們提出了少層電介質(zhì)層堆垛超表面結(jié)構(gòu)，如圖7(a)所示[31]. 通過調(diào)整該結(jié)構(gòu)中電介質(zhì)堆垛層的厚度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其與光場相互作用過程中激發(fā)的多級(jí)共振模式的深度調(diào)控，從而有效地抑制非設(shè)計(jì)波段共振模式的激發(fā)，顯著地提高反射光譜的單色性，如圖7(b)所示. 進(jìn)一步地，通過調(diào)整少層電介質(zhì)層堆垛超表面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)周期T和堆垛結(jié)構(gòu)間的間距d，可以實(shí)現(xiàn)不同的高飽和度結(jié)構(gòu)色，圖7(c)展示了通過CCD相機(jī)在反射模式下觀測到的55個(gè)具有不同結(jié)構(gòu)周期和間距的少層電介質(zhì)層堆垛超表面所產(chǎn)生的超高飽和度結(jié)構(gòu)色及其在CIE1931色彩空間中所對(duì)應(yīng)的具體位置. 從實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果可以看出，所提出的少層電介質(zhì)層堆垛超表面占據(jù)的CIE1931色彩空間范圍是sRGB色彩空間的128%，是Adobe RGB色彩空間范圍的95%. 值得一提的是，所提出的少層電介質(zhì)層堆垛超表面所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色的分辨率至少達(dá)到了18 000 dpi, 完全滿足成像和顯示應(yīng)用. 我們所提出的少層電介質(zhì)層堆垛超表面有望為先進(jìn)的顯示和成像應(yīng)用提供新的載體，在高級(jí)成像、數(shù)字電影投影、超高清晰度電視、高端相機(jī)和高密度光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域都具有潛在的應(yīng)用價(jià)值. 此外，所提出的少層堆垛的設(shè)計(jì)理念還可被進(jìn)一步用于提高其他已有光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)色的飽和度.

(a)電介質(zhì)超表面實(shí)現(xiàn)高飽和度結(jié)構(gòu)色示意圖

(c)電介質(zhì)超表面中結(jié)構(gòu)色的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖7 少層電介質(zhì)超表面實(shí)現(xiàn)超高飽和度結(jié)構(gòu)色

3.2 近完美偏振片與偏振依賴多通道成像

實(shí)現(xiàn)對(duì)光場強(qiáng)度在微米尺度的任意控制是光學(xué)器件集成化和小型化的基本要求之一，相關(guān)研究對(duì)于高分辨率成像和信息防偽等領(lǐng)域的發(fā)展有重要意義. 根據(jù)馬呂斯定律，線偏振光經(jīng)過偏振片后，透射光的強(qiáng)度正比于線偏振光與偏振片光軸的夾角，因此可以利用光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)偏振片對(duì)應(yīng)的光學(xué)功能，從而在亞波長尺度下通過對(duì)微結(jié)構(gòu)偏振片光軸朝向的人為設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)線偏振光透射強(qiáng)度的任意控制. 然而，由于超表面與光場的相互作用強(qiáng)度非常有限，因此利用超表面無法在寬波段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高消光比的偏振消光. 我們提出了雙層超表面結(jié)構(gòu)，利用光波在層間的多波干涉效應(yīng)，有效地增強(qiáng)了光場與微結(jié)構(gòu)的相互作用強(qiáng)度，進(jìn)而在近紅外寬波段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高消光比的偏振消光效應(yīng)[26]. 圖8(a)展示了3種雙層人工微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在x(左側(cè)譜圖) 和y(右側(cè)譜圖) 偏振光波入射下的透射光譜. 從圖8中可以看出，所設(shè)計(jì)的雙層人工微結(jié)構(gòu)可以在寬波段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高消光比的偏振消光，且其通光方向垂直于納米棒. 圖8(b)展示了3種雙層人工微結(jié)構(gòu)樣品中的偏振消光效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果. 可以看出雙層納米棒結(jié)構(gòu)只能透過偏振方向垂直于納米棒的光波，而雙層納米十字天線結(jié)構(gòu)則在2個(gè)垂直方向上都不透光，因此所提出的3種雙層人工微結(jié)構(gòu)可以被用來實(shí)現(xiàn)偏振依賴的光強(qiáng)度編碼，從而實(shí)現(xiàn)單通道和雙通道偏振依賴成像. 圖8(c)展示了利用所提出的3種雙層人工微結(jié)構(gòu)基本單元實(shí)現(xiàn)偏振依賴單通道和雙通道成像的設(shè)計(jì)原理和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果. 此外，利用所提出的少層超表面結(jié)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)高分辨率灰度成像和光學(xué)防偽等應(yīng)用. 所提出的少層超表面結(jié)構(gòu)中的偏振消光光學(xué)響應(yīng)對(duì)于雙層結(jié)構(gòu)間的對(duì)齊程度和入射光波的入射角度具有良好的魯棒性，因此具有很好的實(shí)用性.

(a)3種少層人工微結(jié)構(gòu)及其在x和y偏振下的透射光譜

(b)少層人工微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)偏振依賴光強(qiáng)控制

(c)少層人工微結(jié)構(gòu)偏振依賴單通道和雙通道成像圖8 少層人工微結(jié)構(gòu)偏振依賴多通道成像

3.3 突破傍軸條件的寬場傅里葉超透鏡

傅里葉變換作為光通信領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論之一具有重要的研究意義，其在壓縮感知、圖像傳輸和光學(xué)校正等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛. 傅里葉透鏡是光場空間變換的基礎(chǔ)性元件. 所謂傅里葉透鏡，即可以對(duì)前焦平面入射光場進(jìn)行傅里葉變換并將變換結(jié)果呈現(xiàn)在后焦平面上的透鏡. 在傳統(tǒng)光學(xué)中，傅里葉透鏡主要利用厚度緩慢變化的薄透明介質(zhì)實(shí)現(xiàn)，通過控制傍軸條件下光場經(jīng)過不同厚度介質(zhì)所積累的相位差來調(diào)控相位. 因此傳統(tǒng)的傅里葉透鏡多在傍軸條件下工作，數(shù)值孔徑難以提高. 由復(fù)雜透鏡組構(gòu)成的傅里葉透鏡雖能突破傍軸條件，但是該設(shè)計(jì)大大增加了生產(chǎn)成本與透鏡體積. 光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)能夠在亞波長尺度下實(shí)現(xiàn)對(duì)光場相位的有效控制，因此為突破傍軸條件的寬場傅里葉透鏡的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效途徑. 然而，目前已有的光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)超透鏡多用于成像[51-52]，高效率寬場傅里葉透鏡還未被實(shí)現(xiàn)，這主要是由于在已有的基于光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的超透鏡設(shè)計(jì)中，其基本結(jié)構(gòu)單元的光學(xué)響應(yīng)函數(shù)多依賴于光場的入射角度. 當(dāng)光場的入射角度較大時(shí)，光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)中的光學(xué)響應(yīng)分布函數(shù)將不再符合理論設(shè)計(jì)，因此無法在大角度下保持其光學(xué)功能的穩(wěn)定性. 如何利用光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)角度弱色散的光場相位調(diào)控對(duì)于微尺度下寬場傅里葉透鏡的設(shè)計(jì)具有重要意義. 我們提出了大高寬比的非晶硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)用以實(shí)現(xiàn)寬場傅里葉超透鏡[53]. 高折射率是非晶硅材料的重要特性，高度約為1個(gè)波長的非晶硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以將入射光波耦合到波導(dǎo)中，且其耦合模式對(duì)于入射光角度具有良好的魯棒性，因此其光學(xué)響應(yīng)在光場大角度入射下仍能保持良好的穩(wěn)定性. 進(jìn)一步地，通過對(duì)波導(dǎo)寬度的改變就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)透射光波相位的有效控制，從而實(shí)現(xiàn)寬場傅里葉超透鏡. 圖9(a)展示了所設(shè)計(jì)的寬場傅里葉透鏡樣品在掃描電子顯微鏡下的圖像. 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，所提出的寬場傅里葉超透鏡突破了傳統(tǒng)傅里葉透鏡的傍軸約束條件，對(duì)于入射角度在0°～60°之間的光場都有較好的傅里葉變換能力，且其工作波段覆蓋了1 100～1 700 nm的寬波段范圍. 圖9(b)是寬場傅里葉超透鏡對(duì)經(jīng)過透射光柵的光波進(jìn)行傅里葉變換的示意圖，圖9(c)給出了1 500 nm光波入射時(shí)，其與商用傅里葉透鏡進(jìn)行對(duì)比的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果. 可以看出，所提出的傅里葉超透鏡突破了傳統(tǒng)傅里葉透鏡的傍軸約束條件，明顯拓寬了視場范圍，對(duì)于高級(jí)次傅里葉分量實(shí)現(xiàn)了高度再現(xiàn). 我們提出的角度弱色散光場相位調(diào)控方法為進(jìn)一步研究突破衍射極限的微透鏡以及集成化多功能光子學(xué)微系統(tǒng)奠定了良好基礎(chǔ).

(a)傅里葉超透鏡的掃描電鏡圖

(b)超透鏡實(shí)現(xiàn)傅里葉變換的示意圖

(c)超透鏡與商用傅里葉透鏡對(duì)比圖9 突破傍軸條件的寬場傅里葉超透鏡

4 結(jié)束語

通過介紹基于光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)的光場調(diào)控的研究現(xiàn)狀、研究方法和我們所取得的一些研究進(jìn)展，力圖幫助研究者了解該研究領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，掌握相關(guān)研究的基本研究方法和研究流程，同時(shí)對(duì)光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)在光場調(diào)控領(lǐng)域的應(yīng)用范圍有較為全面的了解. 光學(xué)人工微結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光場高自由度的調(diào)控，在光場調(diào)控和新型光場構(gòu)筑等光學(xué)研究領(lǐng)域中占有重要的研究地位，相關(guān)研究對(duì)于推動(dòng)微納光學(xué)與集成光子學(xué)器件的研發(fā)具有積極意義. 當(dāng)前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)越來越注重前沿性、研究性和自主設(shè)計(jì)性. 讓學(xué)生盡早掌握國際前沿研究領(lǐng)域的基本研究方法和研究思路，開闊學(xué)生的眼界，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析問題和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力，可以為學(xué)生開展科學(xué)研究奠定良好的前期基礎(chǔ). 希望本文能對(duì)相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研工作者提供有益的借鑒.