導讀

光學超構表面通過構建等離子體或全介質的超構結構單元，為實現(xiàn)光的相位、振幅、頻率調控提供可調諧、緊湊型的平臺。超構表面已經(jīng)被廣泛應用于設計平面光學元件，例如超薄超構透鏡、超構波片、光速波前整形、超構偏振分束片、矢量全息成像等。隨著超構表面新技術發(fā)展，為亞波長尺度上實現(xiàn)光場調控提供了豐富的手段，使得設計新型超薄平面光學元件成為可能。

盡管構建亞波長等離子體激元和全介質納米天線是實現(xiàn)亞波長尺度光場調控的有效途徑。然而，由于光學調控基本原理的限制，超構光學元件的厚度仍限制在數(shù)百乃至數(shù)十納米厚度，在可見光波段實現(xiàn)超薄結構乃至原子層厚度超構表面光場調控依然面臨挑戰(zhàn)。

背景

當光強度消失時，通常伴隨產(chǎn)生光學奇點（singularity）現(xiàn)象，如常見的光學相位奇點和偏振奇點。光學相位奇點的拓撲行為會引起許多有趣的物理現(xiàn)象，如跨越奇點附近的Heaviside光學突變和奇點附近的光場超靈敏特性。

拓撲保護零反射又稱為“拓撲暗態(tài)奇點（topological darkness singularity）”是拓撲相位研究的重要基礎領域。研究者利用拓撲暗態(tài)奇點處相位突變，已經(jīng)實現(xiàn)了超靈敏單分子探測使得探測精度提高了將近四個數(shù)量級。

在光場調控應用中，通過合理的設計超構表面構建光學反射奇異點能夠實現(xiàn)典型的Heaviside型光學相位突變，從而使跨越奇點的結構單元表現(xiàn)出顯著的相位延遲。

近日，暨南大學李向平教授團隊聯(lián)合蒙納士大學鮑橋梁教授團隊基于光學反射奇點誘導的相位突變行為實現(xiàn)了原子層厚度即波長的百分之一的超構表面光場調控。

該成果以“Atomically Thin Noble Metal Dichalcogenides for Phase-Regulated Meta-optics”為題發(fā)表Nano Letters。中南大學物理與電子學院王迎威博士，暨南大學學光子技術研究院鄧子嵐副教授和胡德驕博士為共同作者，暨南大學光子技術研究院李向平教授和蒙納士大學鮑橋梁教授為共同通訊作者。該工作還得到了新加坡國立大學仇成偉教授團隊，中南大學何軍教授團隊，電子科技大學彭波教授團隊等合作者的參與支持。

亮點

圖1 原子層厚度二進制超構表面實現(xiàn)損耗輔助的顯著光學相位調制

本項研究通過合理的設計PtSe2-SiO2-Si多層納米結構（如圖1），利用原子層厚度的二維材料強吸收損耗特性，在PtSe2-SiO2-Si區(qū)域和SiO2-Si區(qū)域之間，可以在共振波長實現(xiàn)接近零反射的“拓撲光學奇點”或稱為臨界耦合點。理論上，PtSe2-SiO2-Si系統(tǒng)在共振頻率產(chǎn)生臨界耦合點的時，頂層二維材料PtSe2的臨界厚度為2.2 nm（如圖1 b）。實驗設計的兩種超構單元PtSe2（4.3 nm）和PtSe2（0nm）產(chǎn)生的耦合模式剛好跨越臨界耦合點，在共振頻率位置兩種耦合模式可以有效實現(xiàn)接近π的顯著相位突變。基于此，研究人員提出損耗輔助的超構表面光場調控理論，該理論能夠有效的擴展到其他的二維材料體系，有望通過損耗輔助理論實現(xiàn)多種超薄平面光學元件應用。

利用這種損耗輔助的拓撲光學奇點相位調制機制，本研究還展示了該技術在全息成像器件和超構透鏡中的應用潛力 (如圖 2)。結合激光直寫技術在大面積二維硒化鉑結構上構建二元超構表面。像素化二進制超構全息演示器件厚度僅為4.3 nm, 實際相位調制能力接近0.8 π,全息重構圖像表現(xiàn)出優(yōu)異的保真度。由于奇點相位的拓撲保護特性，超表面器件同時展現(xiàn)出優(yōu)異的角度魯棒性。對比傳統(tǒng)全介質全系器件，本研究中單位厚度衍射效率接近1%/nm的原子層厚度全息演示器件以及拓撲保護的角度魯棒性表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。同時，基于該結構實現(xiàn)了接近光學極限的超構透鏡。

圖2 原子層厚度二進制超構表面全息成像和超構透鏡實驗效果

應用

當前，各國納米光子學領域研究人員致力于開發(fā)高性能、微型化、可集成化的平面光學元件和設備。基于拓撲暗態(tài)奇點實現(xiàn)超構表面光場調控將為現(xiàn)有的平面光學器件設計提供全新的設計思路。同時，作為原子層厚度超構表面光場調控技術有望進一步提平面光學器件的集成度和微型化，將在全息成像、超構透鏡、光學存儲等領域具有廣闊的應用潛力。