李占成，劉文瑋，程 化，陳樹琪,2

(1.南開大學 物理科學學院 泰達應用物理研究院弱光非線性光子學教育部重點實驗室,天津 300071; 2.山西大學 極端光學協(xié)同創(chuàng)新中心,山西 太原 030006)

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

1.1 光學人工微結(jié)構(gòu)簡介

實現(xiàn)對光場的任意操控，從而產(chǎn)生新的光學現(xiàn)象和獲得具有所需光學功能的光學器件是光學和光子學領域的重要研究目標之一. 在傳統(tǒng)光學中，對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，難以實現(xiàn)對光場的任意控制；另一方面，由于自然界已有材料對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系統(tǒng)和片上集成光學系統(tǒng)中被使用[1-3]. 21世紀以來，如何實現(xiàn)對光場的有效操控并獲得小型化和輕質(zhì)化的微納光學器件成為了微納光學和光子學研究領域的熱門話題.

光學人工微結(jié)構(gòu)是具有亞波長尺度結(jié)構(gòu)單元的人造光學材料，其光學性質(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. 光學人工微結(jié)構(gòu)的提出為實現(xiàn)對光與物質(zhì)相互作用的增強和有效控制提供了全新方式，為光學器件的小型化、輕質(zhì)化和集成化提供了全新手段. 光學人工微結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和發(fā)展，最初源于對材料電容率和磁導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性質(zhì). 1968年，蘇聯(lián)科學家V. G. Veselago對電容率ε和磁導率μ同時為負值的材料的光學響應進行了理論研究，證明了在該材料中存在負折射現(xiàn)象[4]. 然而由于自然界中并沒有電容率ε和磁導率μ同時為負值的材料，因此負折射現(xiàn)象在自然界中并沒有被觀察到. 21世紀初，美國加利福尼亞大學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率同時為負的人工微結(jié)構(gòu) (被稱為左手材料) 并在其中觀察到了負折射現(xiàn)象[5-6]. 左手材料的提出開啟了光學人工微結(jié)構(gòu)研究領域的大門，2003年被《Science》雜志評為當年十大科技突破之一. 通過對人工微結(jié)構(gòu)的合理設計，可以實現(xiàn)對空間中各個位置電容率和磁導率的有效控制. 因此利用人工微結(jié)構(gòu)不僅可以實現(xiàn)負折射現(xiàn)象，還可以實現(xiàn)包括電磁隱身、光學黑洞、超分辨成像、人造磁性介質(zhì)和完美透鏡在內(nèi)的多種全新的光學現(xiàn)象和光學功能[7-8]. 人們將電容率和磁導率可以人為設計的三維光學人工微結(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現(xiàn)電磁隱身的示意圖，這是超材料最為人們所熟知的應用領域之一[9]. 在21世紀前10年，超材料相關(guān)研究為微納光學和光子學領域帶來了一場革命，2010年被《Science》雜志評為21世紀前10年十大科學成就之一.

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)復雜的超材料對加工制備工藝提出了嚴峻挑戰(zhàn). 2011年，哈佛大學F. Capasso教授及其研究團隊利用平面人工微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對光波相位在亞波長尺度下的有效控制，從而實現(xiàn)了對光波的異常折射[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)研究領域研究者越來越多的關(guān)注. 平面光學人工微結(jié)構(gòu)可以看作超材料的二維對應，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遠小于波長，因此其等效電容率和磁導率在設計中并不會被關(guān)注太多，人們在設計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)來實現(xiàn)對光波相位、振幅和偏振態(tài)的操控. 利用超表面在亞波長尺度下對光波相位、振幅和偏振態(tài)的有效控制，包括計算全息成像、超透鏡、結(jié)構(gòu)色和多功能器件在內(nèi)的多種全新的光學功能和器件被先后實現(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計的工作效率都很低. 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域的研究熱點之一. 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)超材料實現(xiàn)電磁隱身

(c)超表面 (d)超表面實現(xiàn)異常折射

(e)少層超表面 (f)少層超表面實現(xiàn)全空間光調(diào)控圖1 多種人工微結(jié)構(gòu)設計及其典型應用

超表面雖然能夠在亞波長尺度下實現(xiàn)對光場振幅、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)對稱性，故而其散射矩陣中的各矩陣元素不相互獨立，無法實現(xiàn)對透射和反射光波的同時操控[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，可以通過對單元結(jié)構(gòu)對稱性的合理設計來實現(xiàn)對其散射矩陣各個矩陣元素的獨立控制，從而在透射和反射模式下同時實現(xiàn)對光場的有效操控，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制,如多波干涉效應、近場耦合效應和層間波導效應等,為光與超表面相互作用的有效增強提供了全新的方式[22-26]. 值得一提的是，層間弱耦合的少層超表面設計也為多波長下多種光學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)本身設計復雜的缺點，也解決了超表面與光場相互作用強度有限的問題，同時其散射矩陣各矩陣元素可以被獨立設計，是介于超材料(三維)和超表面(二維)間的新型人工光學微結(jié)構(gòu)設計. 在少層超表面設計中，人們在考慮結(jié)構(gòu)對稱性的基礎上，通過在層間引入近場耦合效應等光與微結(jié)構(gòu)相互作用機制，在增強其工作效率的同時實現(xiàn)對其散射矩陣各個矩陣元素的分立調(diào)控，從而在全空間中實現(xiàn)對光波的有效操控. 少層超表面散射矩陣可以人為任意設計的特點使得少層超表面在全空間集成微納光學器件的研發(fā)中具有廣闊的應用前景. 可以預見，少層超表面的相關(guān)研究將成為人工光學微結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展方向之一.

1.2 光學人工微結(jié)構(gòu)光場調(diào)控研究

光學人工微結(jié)構(gòu)可以在亞波長尺度下實現(xiàn)對光場振幅、相位和偏振態(tài)任意調(diào)控的特點，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值和廣闊的應用前景. 2017 年國家自然科學基金委員會發(fā)布新型光場調(diào)控物理及應用重大研究計劃，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個主要研究內(nèi)容之一，凸顯了光學人工微結(jié)構(gòu)在相關(guān)領域的重要研究地位.

圖2展示了光學人工微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光場單維度與雙維度聯(lián)合調(diào)控所對應的典型應用領域[2]. 目前，人們利用光學人工微結(jié)構(gòu)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對光場在單個維度上的有效控制. 基于光學人工微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對光波在2個維度上的聯(lián)合調(diào)控是光場調(diào)控研究領域當前的熱門方向.

圖2 光學人工微結(jié)構(gòu)光場調(diào)控應用

(a)偏振光學防偽 (b)偏振光學成像

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

(c)結(jié)構(gòu)色 (d)光衍射強度控制

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

2 研究方法概述

光學人工微結(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)設計、樣品加工和實驗測試4個部分，如圖4所示.

圖4 光學人工微結(jié)構(gòu)研究方法

2.1 理論分析

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

2.2 結(jié)構(gòu)設計

光學人工微結(jié)構(gòu)的設計主要分為2步. 首先根據(jù)所需的光學響應分布函數(shù)，按照光場與微結(jié)構(gòu)相互作用物理機制的研究結(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)對稱性、結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)參量變化范圍等. 在光學微結(jié)構(gòu)設計中，從已有的光學人工微結(jié)構(gòu)中借鑒設計經(jīng)驗對于簡化結(jié)構(gòu)設計流程具有重要的指導作用. 第二步在確定微結(jié)構(gòu)特征的基礎上通過數(shù)值模擬的方式進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而讓光學人工微結(jié)構(gòu)的光學響應分布函數(shù)與理論要求相一致. 在數(shù)值模擬優(yōu)化過程中，主要針對結(jié)構(gòu)的形狀和大小等進行優(yōu)化，進而調(diào)整光學人工微結(jié)構(gòu)的光學響應. 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. 設計經(jīng)驗在光學人工微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中起著舉足輕重的作用，對于經(jīng)驗豐富的設計者來說，結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程往往能夠比新進人員快出很多. 近來，研究證明通過在光學人工微結(jié)構(gòu)的設計優(yōu)化中引入人工智能算法能夠幫助設計者更快地完成對于微結(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)等來實現(xiàn). 在樣品加工的過程中，首先根據(jù)光學人工微結(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、可重復性、加工尺寸和加工費用等因素. 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)形貌和尺寸在實際加工過程中不容易實現(xiàn)，或者在加工完成后不容易保持穩(wěn)定，需要進行進一步的結(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，從而破壞其光學響應. 因此在設計過程中就需要選擇合適的高寬比. 圖5展示了光學人工微結(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人工微結(jié)構(gòu) 的發(fā)展提供了新的方向，例如中國科學院物理研究所微加工實驗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)的設計開辟了新的思路[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 光學人工微結(jié)構(gòu)樣品的加工流程示意圖

2.4 實驗測試

光學人工微結(jié)構(gòu)光場調(diào)控研究的實驗測試可以大致分為3個類型，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人工微結(jié)構(gòu)相互作用時在結(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. 光學人工微結(jié)構(gòu)光場調(diào)控的實驗測試可以通過已有的商業(yè)化整機測試系統(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顯微鏡完成. 但是，在光學人工微結(jié)構(gòu)光場調(diào)控研究中，多數(shù)的實驗測試，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. 這主要是由于在實驗測試過程中往往需要對入射和出射光波的光束直徑、波長和偏振態(tài)進行控制，而商業(yè)化整機系統(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) 分別展示了在光學人工微結(jié)構(gòu)光場調(diào)控研究中用于實現(xiàn)光譜測試和成像測試的2個實驗光路[26,48].

(a)

(b)圖6 光學人工微結(jié)構(gòu)樣品測試光路示意圖

3 實驗研究進展

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

3.1 少層電介質(zhì)超表面實現(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. 合成對特定波長光波具有吸收和散射能力的化學染料是人為產(chǎn)生顏色的主要方式. 相比于利用化學染料產(chǎn)生的顏色，光學人工微結(jié)構(gòu)中顏色的產(chǎn)生則是通過人為操控微結(jié)構(gòu)對特定波長光波的散射來實現(xiàn)的. 由于光學人工微結(jié)構(gòu)中顏色的產(chǎn)生來源于微結(jié)構(gòu)對光波的散射，因此也被稱為結(jié)構(gòu)色. 光學人工微結(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. 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伴隨著高階共振模式的激發(fā)，從而在多個波段上產(chǎn)生對光的散射. 因此利用電介質(zhì)超表面無法完全實現(xiàn)僅在單一波段范圍內(nèi)對光波散射的操控，從而導致了所產(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現(xiàn)對其與光場相互作用過程中激發(fā)的多級共振模式的深度調(diào)控，從而有效地抑制非設計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相機在反射模式下觀測到的55個具有不同結(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色彩空間中所對應的具體位置. 從實驗測量結(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)色的分辨率至少達到了18 000 dpi, 完全滿足成像和顯示應用. 我們所提出的少層電介質(zhì)層堆垛超表面有望為先進的顯示和成像應用提供新的載體，在高級成像、數(shù)字電影投影、超高清晰度電視、高端相機和高密度光學數(shù)據(jù)存儲等領域都具有潛在的應用價值. 此外，所提出的少層堆垛的設計理念還可被進一步用于提高其他已有光學人工微結(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)色的模擬和實驗結(jié)果圖7 少層電介質(zhì)超表面實現(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

實現(xiàn)對光場強度在微米尺度的任意控制是光學器件集成化和小型化的基本要求之一，相關(guān)研究對于高分辨率成像和信息防偽等領域的發(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，因此可以利用光學人工微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)偏振片對應的光學功能，從而在亞波長尺度下通過對微結(jié)構(gòu)偏振片光軸朝向的人為設計實現(xiàn)對線偏振光透射強度的任意控制. 然而，由于超表面與光場的相互作用強度非常有限，因此利用超表面無法在寬波段范圍內(nèi)實現(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，有效地增強了光場與微結(jié)構(gòu)的相互作用強度，進而在近紅外寬波段范圍內(nèi)實現(xiàn)了高消光比的偏振消光效應[26]. 圖8(a)展示了3種雙層人工微結(jié)構(gòu)設計及其在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，所設計的雙層人工微結(jié)構(gòu)可以在寬波段范圍內(nèi)實現(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的實驗測試結(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)可以被用來實現(xiàn)偏振依賴的光強度編碼，從而實現(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)基本單元實現(xiàn)偏振依賴單通道和雙通道成像的設計原理和實驗測試結(jié)果. 此外，利用所提出的少層超表面結(jié)構(gòu)還可以實現(xiàn)高分辨率灰度成像和光學防偽等應用. 所提出的少層超表面結(jié)構(gòu)中的偏振消光光學響應對于雙層結(jié)構(gòu)間的對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)實現(xiàn)偏振依賴光強控制

(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域的基礎理論之一具有重要的研究意義，其在壓縮感知、圖像傳輸和光學校正等領域應用廣泛. 傅里葉透鏡是光場空間變換的基礎性元件. 所謂傅里葉透鏡，即可以對前焦平面入射光場進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)光學中，傅里葉透鏡主要利用厚度緩慢變化的薄透明介質(zhì)實現(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，但是該設計大大增加了生產(chǎn)成本與透鏡體積. 光學人工微結(jié)構(gòu)能夠在亞波長尺度下實現(xiàn)對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現(xiàn)提供了一種有效途徑. 然而，目前已有的光學人工微結(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現(xiàn)，這主要是由于在已有的基于光學人工微結(jié)構(gòu)的超透鏡設計中，其基本結(jié)構(gòu)單元的光學響應函數(shù)多依賴于光場的入射角度. 當光場的入射角度較大時，光學人工微結(jié)構(gòu)中的光學響應分布函數(shù)將不再符合理論設計，因此無法在大角度下保持其光學功能的穩(wěn)定性. 如何利用光學人工微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)角度弱色散的光場相位調(diào)控對于微尺度下寬場傅里葉透鏡的設計具有重要意義. 我們提出了大高寬比的非晶硅波導結(jié)構(gòu)用以實現(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個波長的非晶硅波導結(jié)構(gòu)可以將入射光波耦合到波導中，且其耦合模式對于入射光角度具有良好的魯棒性，因此其光學響應在光場大角度入射下仍能保持良好的穩(wěn)定性. 進一步地，通過對波導寬度的改變就可以實現(xiàn)對透射光波相位的有效控制，從而實現(xiàn)寬場傅里葉超透鏡. 圖9(a)展示了所設計的寬場傅里葉透鏡樣品在掃描電子顯微鏡下的圖像. 實驗測試結(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經(jīng)過透射光柵的光波進行傅里葉變換的示意圖，圖9(c)給出了1 500 nm光波入射時，其與商用傅里葉透鏡進行對比的實驗測試結(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，對于高級次傅里葉分量實現(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微系統(tǒng)奠定了良好基礎.

(a)傅里葉超透鏡的掃描電鏡圖

(b)超透鏡實現(xiàn)傅里葉變換的示意圖

(c)超透鏡與商用傅里葉透鏡對比圖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展，力圖幫助研究者了解該研究領域的研究現(xiàn)狀，掌握相關(guān)研究的基本研究方法和研究流程，同時對光學人工微結(jié)構(gòu)在光場調(diào)控領域的應用范圍有較為全面的了解. 光學人工微結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)對光場高自由度的調(diào)控，在光場調(diào)控和新型光場構(gòu)筑等光學研究領域中占有重要的研究地位，相關(guān)研究對于推動微納光學與集成光子學器件的研發(fā)具有積極意義. 當前物理實驗教學越來越注重前沿性、研究性和自主設計性. 讓學生盡早掌握國際前沿研究領域的基本研究方法和研究思路，開闊學生的眼界，培養(yǎng)學生自主學習、分析問題和設計實驗的能力，可以為學生開展科學研究奠定良好的前期基礎. 希望本文能對相關(guān)物理實驗教學和科研工作者提供有益的借鑒.