二维光学Metasurfaces:从电介质的等离子体

文摘

Metasurfaces,类型的平面超薄超材料,能够修改极化,阶段,和振幅的物理领域的可见光设计周期亚波长结构,近年来吸引了极大的兴趣。根据不同类型的材料,光学metasurfaces可以分开在两类材料:一个是金属和其他介质。金属metasurfaces依赖亚波长金属粒子的表面等离子振荡。然而,造成的损失金属结构一直是一个麻烦,特别是对设备工作在传输模式。电介质metasurfaces基于Faraday-Tyndall高指数介质光散射粒子的散射。通过合理设计等相关参数的单元结构大小,方向,和形状,metasurfaces可以实现不同的功能和广泛的应用程序。本文主要关注metasurface异常反射和折射等概念和不同类型的metasurfaces的工作原理。这里,我们简要回顾进展发展光学在过去的几年里,不久的将来。

1。介绍

光学元素等光学系统成像的基本单位,照明和通讯(1,2]。他们可以改变光束传播的方向和重塑的波前调制振幅,相位和偏振光线。传统的光学元素,如眼镜、波浪板、光和调节器,主要通过折射的原理,传输反射,吸收,或光的衍射3]。实现波前整形的渐进积累阶段的传播组件,结构密切相关,折射率和介电常数的组件。由于有限的操作机制和传统的光学组件的材料选择,很难实现高集成芯片集成等超薄结构,控制波长和偏振控制(4]。随着精密加工技术的发展和计算电磁场,小型化的光学器件和集成光学系统已逐渐成为未来发展的趋势。人为设计的新型光学材料媒体逐渐吸引了越来越多研究人员的关注。进一步研究发现,媒介的有效组合和转换光学有望实现其完全控制电磁波,已成为一种新方法研究光束传播的控制和交互光和物质定律。

期刊的超材料由亚波长金属和介质结构,这是人工微结构与一个特定的顺序。由于亚波长结构的影响和整体功能材料,supermaterials表现出非凡的电磁特性(5]。因此,理想的电磁响应和设备函数可以通过调整获得的基本单元结构材料,从而消除传统材料的材料性能约束(6]。超材料的研究,许多学者在不同的应用程序上取得了重大突破。到目前为止,获得的超材料,包括负折射率材料(7- - - - - -9),磁性媒体(10[],手性材料11- - - - - -13),机电超材料(14,15),而光子晶体(16),他们可以应用到一些困难地区的传统光学、超分辨率成像等电磁斗篷和全光设备(15]。随着研究的深入,共振响应和金属结构的使用会导致高损失和强色散的存在,这给实际应用带来了新的挑战。此外,微尺度和纳米尺度的三维超材料价格昂贵,难以制造(17]。因此,研究人员将注意力转向metasurfaces,是现代半导体兼容。他们可以很容易地制作使用现有的技术,如光刻和nanoprinting方法。同时,超薄厚度波传播的方向可以显著降低不良损失通过选择合适的材料和metasurface结构(18]。一般来说,metasurface可以克服的挑战大容量超材料,实现光学调整函数与传统的光学设备困难。总之,如图1metasurface已成为研究前沿领域的超材料之一,具有重要的研究意义。

metasurface减少依赖传播效果通过引入突变等光学性质的阶段,振幅,极化(3- - - - - -5]。这种突变可以实现亚波长二维阵列的散射,这是一种电磁调制原始结构的光波长称为光学天线。一些常见的散射结构包括金属纳米结构,barbina结构和高折射率介质媒体纳米材料。metasurface的核心特征是亚波长结构元素之间的距离,可以不同的几何参数,如形状,大小和方向。的控制与超材料的光路,metasurface的设计更关注光束的波前控制的控制(26]。它实现波前控制通过控制每个点的强度和相位,这避免了损失的光通过多次细胞结构,从而加强了实际应用。此外,metasurface有很多优势在传统光学元素。首先,metasurface的厚度比波长小得多,因此,治疗透射光和反射光只发生在结构层的界面非常薄。其次,由于电磁散射特性,metasurface可以有效地控制光学相位、振幅和极化在亚波长分辨率和有效抑制高阶衍射。然后metasurface的焦点不是远场光学控制,但近场波前整形。最后,磁响应metasurface可以实现阻抗匹配的平面光学,不仅仅是传统的电场响应的元素。

近年来,metasurface领域的研究发展迅速,取得了可观的研究成果。在本文中,我们回顾国外研究进展,总结一些研究方法,从而提出自己的意见在这个研究领域。

2。电浆Metasurface

2.1。原则

matasurface利用相位跳了入射光与亚波长结构的共振。根据Huygen Prindple,如果它控制的振幅和相位响应“点源”(亚波长结构)对入射波(电场和磁场分量)在飞机上,波前的形状可以随意调整,实现设备预计表演。类似情况的振子位移通常与励磁同步在弹簧振子模型中,相位跳源于极化电荷位移之间的相位差和激发。

电浆metasurfaces通常是由金属纳米颗粒结构及其底物。当入射光到达金属纳米颗粒表面的自由电子将集体振荡,称为表面等离子体激元(SPs)。有两种类型的SPs,其中一个产生电荷密度波,但他们无法传播,成为局部表面等离子体激元(LSP),和其他传输在金属和介质之间的界面,称为表面等离子体极化声子(许可证)。

当光照射金属颗粒,表面自由电子展览定向运动,并形成表面的电偶极子。受电偶极子,自由电子在金属颗粒的表面产生共振现象,很大程度上取决于其谐波振动的固有频率,几何尺寸的形状,材料特性和介电环境周围的金属颗粒(19]。与类似的固有频率,在光的作用下金属粒子形成了电子的集体振荡,结果如图2。

许多纳米结构能产生LSP的共振,如常见的球形和椭球形金属纳米颗粒、金属纳米棒、金属nanostars。此外,金属纳米颗粒之间的耦合构成的聚合物也可以引起LSP共振,和强大的电场形成各自的单位之间的空间构成的聚合物。此外,金属纳米孔结构也能生成LSP的共鸣,和周期性金属纳米孔结构可以产生沿金属表面LSP和许可证。太阳能发电可以提高当地电场提高许多光学过程的效率,并广泛应用在表面增强光谱学和若。

许可证是电磁波传播在金属和介质之间的界面。他们是指数衰减的方向垂直于金属和介质之间的界面。因此,许可证局部分布在金属和介质之间的界面和传播在亚波长范围,突破衍射极限。生成许可证是如图的原则3。

midinfrared和光学波长领域的研究中,研究者提出超薄光学表面设备。这样的新的光学设备,称为metasurfaces,控制极化(5],相位、振幅和色散(17)的光通过使用超薄波长尺度光学谐振器的散射特性在接口27]。设计使用波长刻度介质或金属纳米粒子在共振散射系统或控制色散特性nonresonant情况,以便利用几何相位控制光散射(28]。近年来,光场调制的发展一直增加。例如,涡的生成和应用和矢量光一直热研究[29日- - - - - -34]。等离子体也证明,他们可以适用于光学调制(35),就像一代的环形光束在二硫化碳使用渐变型电浆镜头(36]。超材料和等离子体进化出了一个新的革命在光子学领域结合光子的能量和动量成自由电子气体在表面等离子体的形式,结合光子和电子的性质(37]。表面等离子体在金属表面移动,实现在纳米尺度光的传输和操作(9]。

2.1.1。Nano-Array天线Metasurface

对于一个设备的相位不连续界面,可以完全灯光引导,其无与伦比的控制异常反射和折射可以表示的广义斯涅尔定律:

在哪里 , ,和相对应的角度折射,发病率和反射,分别;和代表两种不同折射率的媒体传播和事件方面,分别;是自由空间的波长。方程(1)和(2)表明,有梯度在接口的不连续阶段,光折射和反射的方向可以改变通过使用组件的接口,它可以实现在一个极薄层。值得注意的是,在本质上,贡献是一个额外的动力,可以由耦合引入的nanoantennas接口和摧毁的对称界面;因此,光波会弯曲达到动量守恒(38,39]。自由度的控制光的nanoantenna阵列如图4。自从nanoantenna阵列是一种超薄结构,metasurface函数可以结合低损耗特性。这将有希望实现各种光学组件的生产,使特殊的光调制和控制成为可能。

如果接口添加到一系列定期的亚波长谐振器的厚度形成meatasurface可以忽略不计,然后反射和透射系数将戏剧性的改变了,因为边界条件由共振激发有效的修改当前metasurface内。反射和透射波携带不同的相变来 ,根据入射波的波长相对于metasurface共振。各向异性谐振器时,偏振状态也可能会改变。沿着界面统一,相变时的方向反射和折射是不变的;相比之下,meatasurfaces提供的优点之一是,我们可以创建与亚波长分辨率空间相位变化,有效地控制波传播的方向和波前的形状40]。

metasurface结构与对称断裂v型nanoantenna数组实现从零到一个突变阶段转变在交叉偏振光,可以用于设计许多平面光学元素(41]。图5显示了一些应用光学metasurface示意图。就像为了实现镜头的功能,可以设置nanoantennas同心圆。在各种不同的形状,nanoantennas安排在这样一种变异的相移导致完成距离相长干涉又一波通过界面传播。这种超薄金属透镜可以生成各种梁的设计,比如nondiffraction贝塞尔光束。此外,电浆metasurface可以控制光的相位,这使得它也应用于3 d光学全息术(40]。

2.2。电浆应用程序

2.2.1。光学涡旋盘

根据接口的突变阶段(42,43),一个相位板组成的二维v型金属电浆天线(44,45设计并制作)生成一个光学涡旋的正交极化散射光调制器传输。然后通过控制天线的几何形状和选择数组元素组,它涵盖了超过2的阶段π弧度。一阶或二阶涡相位板基于不同拓扑的设计费用,和不同的顺序涡旋光束最终生成(46,47]。图6显示了涡相位板模型8组的等离子体和亚波长天线metasurface结构分布在一个方位。

此外,使用梯度metasurface可以使涡旋光束发生器小型化(48,49]。连续metasurface由multicircular啁啾与各向异性等离子体表面波导和空间异质性产生旋轨道相互作用的光子。表面等离子体波的径向极化连续上层建筑而兴奋不已。当啁啾系数为零,涡旋光束的拓扑电荷可以生成1通过辐射metasurface波长为632.8 nm的左旋偏振光和涡旋光束的拓扑电荷2可以通过使用分析仪检测交叉极化分量的辐射波。当啁啾系数不为零,涡旋光束的拓扑电荷变化从整数到一小部分。使用高折射率材料进一步填充环形唧唧声波导可以理论上产生涡旋光束的任意拓扑电荷(整数和分数)。此外,与离散metasurface相比,连续metasurface“像素点”可以无限小,可以实现高精度相位调制,可以获得极其纯粹的涡旋光束。

2.2.2。三维彩色全息术

一个简单的三维彩色全息图可以从金属薄层的厚度只有10到一百纳米(50]。以来最小的像素大小只有200海里×200海里,其投影全息的视野可以达到90°(即整个传输空间成像),甚至隐失波区域。由于整个可见光波段消色差结构,可以实现全彩色全息成像利用这种结构和引入离轴照明技术。offaxis照明技术的引入可以消除零级光之间的相互干扰和不同彩色图像在传统metasurface彩色全息术,大大提高了成像信噪比。进一步,利用其subwavelength-scale像素大小,没有虚假的全息图像可以通过合理设计一个移动的相关图像中存在的传统的彩色全息术技术消失波地区。图7显示了使用metasurface全息板生成全息图。这种全息技术提供了一种更有效的方法,相位和振幅设计和重建,为范围广泛的应用程序提供一个可行的解决方案在显微镜下,光束整形,和娱乐行业51- - - - - -57]。

2.2.3。双曲透镜

双曲透镜与超导平面透镜面波,可以完全集中。八种v型聚焦结构定期安排的径向平面圆。每组的v型结构关注环均匀排列。如图8(一个),八组的v型结构径向排列的周长,和阶段安排从内环到外环是0,π/ 4,π/ 2、3π/ 4,π,5π/ 4,3π/ 2和7π/ 4天线阵列及其相位线性间距π/ 4。基于完美的焦点的相位分布,计算径向v型结构的安排,每个聚焦结构的位置r决心,最后得到的数量结构刻在戒指上的(58,59]。通过设计不同的微观结构,平面镜头用不同的焦距。由于平面镜片的厚度很薄,预计在光学领域的应用集成(60]。根据上述方法,图8 (b)显示了一个超薄平板透镜产生特定的基于metasurface焦球面波结构。

3所示。电介质Metasurface

3.1。原则

与电浆metasurface不同,介电metasurface是由high-refractive-index光散射粒子的分布界面与光的波长(61年- - - - - -64年]。被称为Faraday-Tyndall散射的散射效果。当粒子柱形或球形,亥姆霍兹方程可由边界条件,匹配的米氏散射条件(65年]。因此,准确的米氏计算大大有助于电介质纳米颗粒。计算辐射场和内部字段可以通过扩展解决球矢量波函数。辐射场的解析表达式通常是与实验数据相比,它可以安装在提取每个模型的贡献。和内部字段的解析表达式代表分销领域的媒介。它揭示了物理机制的高效metasurface传输或反射率。

如果球形电介质纳米颗粒足够小,他们将经历重大电磁场的共振。在图9相关,这些共振主要励磁磁和电偶极子模式。在米氏的描述,第一个共振磁偶极子共振的情况下有效波长粒度的大小( )。偶极子磁共振在高折射率介质谐振器实际上是由电场磁场,而不是一个。作为显示在图9 (c)与金属电浆纳米颗粒不同,介电共振是由位移电流而不是电传导电流,这会大大降低共振的能量损失。值得注意的是,如图9(一个)和9 (b),金属的极化电场的裂解环谐振器反平行的环的两端,可以有效地耦合循环位移电流。

磁偶极子模式也出现在非球面几何的电介质粒子。例如,在一个单层圆柱silicon-insulating衬底硅谐振器,被迫分离的电和磁偶极子共振,如图10,使峰值反射率在短波红外地区超过99%。在矩形谐振器,改变几何的大小或散射可以非常轻松地调整谐振波长(20.]。电和磁共振散射特性是非常重要的实现高效的平面光学metasurfaces。

为了进一步阐明metasurface的潜力,相当大的散射“电磁场”,我们将介绍Kerker的研究等这里(66年]。当介质的相对介电常数和相对磁导率范围是相等的,即,ε=μ0后向散射和去极化。因为ε=μ粒子散射光和导致向后方向相消干涉。上述效应被称为第一Kerker条件(67年]。当考虑到纳米颗粒有足够小的大小,直到粒子的大小与光的波长,因此,预测的米氏散射光系数将大大简化和离散的特征字段只剩下几个系数(68年]。这意味着纳米粒子可以被认为是偶极子粒子;也就是说,只有偶极子条件导致散射场。

为了更好的描述电磁场和磁偶极子的极化率,两个系数的米氏扩展可以介绍:

在哪里 。

电偶极子和磁偶极子之间的干扰导致反向散射截面的外观,可以表示为

当偶极振荡阶段( ),它的最小值是一个整体模式与惠更斯源。

第一Kerker条件已广泛应用于微波和光学频率乐队锗、硅、砷化镓团簇。

图(11日)显示了一个示意图的向前和向后辐射。图11 (b)还描述了散点图对应向前和向后辐射。粉红色/橙色高亮区域图11 (c),向前/向后散射时获得的电和磁偶极子重叠在常见/反相共振。这是通过一个硅nanodisk数组嵌在一个折射index-optimized均匀介质在图中11 (d)。近年来,wavelength-order nanopillar数组在图11 (f)和介质脊波导制成的非晶硅提出了相移的元素。在这些元素中,可以创建一个高效的传输metasurface midinfrared和红外波段的波长距离传播所需的积累阶段。

3.2。电介质Metasurface应用程序

电介质metasurface是一种新型的二维材料,已受到越来越多的关注由于其运营能力在光62年]。与相变引起的传播在传统的系统中,metasurface可以引入相位和振幅突变通过光学谐振器数组(63年]。在这方面,传播效果的依赖可以简单地释放。因此,在过去的几年里,一些新颖的二维设备已经逐渐的特点提出并实验证明,如异常反射/折射(64年瞬态面波法的耦合(),22),和高分辨率光学全息图(23]。此外,一些电浆metasurfaces函数的实现也可以通过介质metasurfaces,像向量涡旋光束的一代69年),Pancharatnam-Berry阶段镜头和动力阶段透镜(70年)等。

3.2.1之上。高阻抗Metasurface

如图12、高阻抗metasurface是一种三明治结构组成的亚波长金属结构/介电层/金属底板,它几乎可以完全反映电磁波(71年]。结构元素的高阻抗metasurface远小于工作波长。根据等效电路模型的理论,高阻抗metasurface等效电感l和电容C,所以系统都有一个特定的共振频率。高阻抗的等效阻抗metasurface很高在共振频率附近,这意味着表面横向磁场很弱和横向电场很强,就像一个“磁导体。“当电磁波的频率远离共振频率的高阻抗metasurface系统的电磁响应返回到“磁导体”。这些特征让高阻抗metasurface反思阶段在不同频率不同。在系统的共振频率,反映阶段0°,这意味着即使天线是无限接近高阻抗超表面,天线可以保持相同的相位干涉和天线辐射效率极高。这种特性的高阻抗metasurface克服了四分之一波长间隔的缺点限制传统的天线基板,这样可以小型化天线系统。当我们将这种类型的超薄人造微生物的特殊调整电磁表面电磁波的特性,高阻抗metasurfaces是一个重要的类别。

3.2.2。介电梯度Metasurface

梯度metasurfaces二维光学元素能够操纵光通过传授当地,空变相变入射电磁波。迄今为止这些表面由nanometallic光学天线,和高衍射效率一直仅限于在反射模式下操作。Erez•集团提出了一系列介电梯度metasurface光元素的能力也达到很高的效率在可见光谱传输方式(25]。超薄光栅(72年- - - - - -75年),镜头(76年,77年],轴锥镜已经被模式实现一个100纳米厚的硅层的密集的安排如果nanobeam天线。使用半导体可以扩大梯度metasurfaces的一般适用性,为他们提供简单与电子和集成可以实现成熟的半导体制造技术。图13显示了一个示例(DGMOE)介电梯度metasurfaces光学元素。

3.2.3。Polarization-Controlled Metasurface

2007年,周Lei的研究小组提出了使用一个各向异性metasurface电磁极化的完美转换,没有能量损失,可以实现100%的转换效率78年]。作为显示在图(14日),它是一种三明治结构组成的一个“我”类型与超薄金属结构/介电层/金属结构(79年]。

其等效介质模型由一个空气层,各向异性介质层和金属层。这种各向异性超曲面不同的共振频率x和y的方向。该系统 和 在x共振频率意味着,x极化电磁波,超级表面出现的“磁导体”反射率1和0°的反思阶段。对于一个y极化电磁波,系统响应是一个“电导体”的反射率1和180°反思阶段。这表示,事件发生后metasurface电磁波反射的x电场的组件保持不变,y组件电场的逆转。因此,反射波的极化是完全控制在垂直方向,实现有效的偏振转换。另一方面,这metasurface与一个超薄人工双折射材料,所以极化控制可以实现。与传统的偏振控制方法相比,这种metasurface具有效率高、薄厚度。此外,如图13 (b),我们也取得了有效的偏振旋转在光学频率乐队80年),导致一个完美的传输1/4波片达到完美的偏振控制线偏移,椭圆光度法和圆偏振81年]。

3.2.4。Metasurface棱镜

人工电磁特定媒体的出现引发了一系列革命性的进步在光场控制。据gradient-specific媒体系统,metasurface微波设备操作,太赫兹和光学波段设计。各种特殊棱镜的光学参数的梯度和特殊棱镜代替传统的几何梯度光学,和所有这些光学控制落入音量控制的范畴。与v型天线阵,人们设计了一个单色phase-shift-free超薄平板透镜和棱镜轴(82年在沟通工作频带,开辟了一个新的方向高数值孔径的设计,超分辨率平面棱镜。最近,我们设计和制造反光表面梯度棱镜(83年]。入射平面波的反射相位分布是双曲线。实验图15表明,该棱镜可以聚焦入射光。梯度metasurface棱镜厚度比波长小得多(约λ/ 20)和所有的电磁波可以反映和集中的焦点。因此,有近100%的营业效率,它在平面天线具有重要的应用价值。

3.2.5。全媒体Metasurface镜头

基于all-dielectric Metasurfaces纳米结构可以克服的局限性电浆metasurface效率(20.,63年- - - - - -65年]。通常,介电超表面由一列的高折射率介质波长附近有一个长度。材料的主要类型包括Si、二氧化钛、差距和罪恶。2014年,Brongersma et al。1斯坦福大学提出的概念的all-dielectric metasurface,有效成像镜头的设计提供了有效的解决方案。设计的设备主要是基于PB相原理和使用硅纳米线足够的深度。结构如图16(一个)。当入射光波长约为500纳米,透镜的聚焦效率达到70%。2015年,Faraon et al。22加州理工学院设计的高数值孔径与圆硅柱透镜。镜头达到82%集中在波长1550纳米的沟通效率。微观结构如图16(b) -16(e),圆形硅柱旋转对称度高,所以polarization-independent设计透镜。硅柱的高度接近1μ米,长宽比比较大,处理难度也大。虽然电介质的提议metasurface有望解决这一问题的电浆metasurface损失,效率的可见光波段的成像透镜设计仍然是有限的,特别是当波长为500 nm。2016年,卡帕索等。46)使用PB阶段实现高性能metasurface眼镜在可见区域。如数据所示16(f)和16(g),设计透镜由chloro-oxy介质杆和一个玻璃衬底。低损耗介质材料表面光滑和高折射率是用来解决问题的材料选择可见的乐队。因为这个镜头是基于PB相位调制的原理,其主要缺点是必须使用圆偏振光,所以一些额外的设备需要处理光源。

4所示。结论

本文介绍了典型的电浆metasurface和电介质metasurface来自两个方面:原理和应用。电浆metasurface由一个周期,亚波长金属结构。我们详细描述nanoantenna阵列结构,构成了电浆metasurface。通过调整不同安排的v型天线nanoantenna数组,根据不同突然移相方法,介绍了应用电浆metasurface在光学滚动盘子,三维彩色全息术和超透镜。然后介电metasurface的优点介绍:特殊控制电磁波和半导体材料的优越性。基于这一特性,研究人员实现偏振转换控制转换效率为100%。反映梯度metasurface棱镜可以用来反映所有电磁波和收敛的焦点实现使用metasurface全息成像。最后,我们介绍了高数值孔径所有媒体metasurface透镜设计的研究人员使用低损耗介电材料。总之,电浆metasurface和电介质metasurface有自己的优势,及其应用也很广泛。作为一个新颖的二维材料,探索metasurface有许多秘密。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(61675048)。

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