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2021-05-31 作者:現代工程與應用科學學院 來源:科學技術處

現代工學院徐挺教授、陸延青教授團隊在多維度光場調控方面取得新進展

近日,南京大學現代工程與應用科學學院徐挺教授與陸延青教授團隊提出了一種超表面同時且獨立調控兩個入射正交偏振態的振幅與相位的新方法,設計並製造了不同類型的多功能超表面器件,實現了多維度光場調控。單色光具有三種維度的屬性:振幅、相位和偏振。光學超表面是一種由亞波長結構單元按照特定功能需要排列形成的一種超薄二維平面光學器件,通過改變結構的尺寸、形狀、材料等,可以調控光的振幅、相位和偏振等特性。目前,很多超表面的研究工作集中在對光的單一維度屬性的調控,比如,超透鏡就是一種典型的相位調控器件。另外,利用超表面靈活的設計自由度,也可以同時對光的兩種或三種維度的屬性進行調控,但是,目前對於兩個正交偏振態的振幅和相位同時且獨立的調控仍是一個挑戰。

在前期課題組利用超表面實現光場偏振振幅調控的研究工作基礎上(Physical Review Letters 125, 2674022020),此處我們提出了一種對兩個入射正交偏振態的振幅和相位同時且獨立調控的新方法(圖1),進一步,在可見光頻段,設計和製造了不同類型的二氧化鈦超表面光學器件,實現了偏振控制的多維度光場信息調控,包括可切換的納米印刷的灰度圖像顯示、非均勻的柱透鏡聚焦、復振幅全息。最後,通過將振幅和相位信息編碼在一對正交偏振態上,實現了4通道的光學圖像顯示(圖2),包括兩幅近場納米印刷圖像和兩幅遠場全息圖像。該工作有望推動超緊湊的多功能光學超表面器件在偏振光學、光學數據存儲、信息編碼和安全等領域的應用。

1 多功能超表面實現一對正交偏振態的振幅和相位的同時獨立調控的示意圖

基於單個超表面器件實現4通道的圖像顯示。a 基於改進GS算法的超表面器件的設計流程圖。 b 超表面器件的光學照片與結構的SEM照片。 c,d 手性控制的近場納米印刷圖像與遠場全息圖像顯示的實驗結果。

該研究工作該研究成果以“Multifunctional metasurfaces enabled by simultaneous and independent control of phase and amplitude for orthogonal polarization states” 為題發表於知名光學期刊 Light: Science & Applications(DOI: 10.1038/s41377-021-00552-3 )。南京大學現代工程與應用科學學院17級直博生劉明澤與副研究員霍鵬程為論文的共同第一作者,南京大學徐挺教授與陸延青教授為論文通訊作者,南京大學為論文第一單位,合作單位包括華中科技大學以及美國國家標準技術研究院。本工作得到了包括科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省雙創團隊等項目資助,以及人工微結構科學與技術協同創新中心、固體微結構物理國家重點實驗室、南京大學微製造與集成工藝中心等平台的大力支持。