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光学超表面的研究进展汇总
发布时间:2023-09-05    来源:搜集整理   阅读次数:9959 分享到:
超表面普遍被科技界寄予厚望,潜在的应用领域非常广阔。但是超材料、超表面还停留在实验室阶段,不过每年都有新进展。一起来看看在光学领域的超表面研究进展。

1、Fraunhofer IOF研制出直径近30厘米的光学超表面
超表面可以帮助使光学系统在未来变得更薄,同时增加其功能。
到目前为止,传统的制造工艺通常只能实现小的超表面,通常小于一平方毫米。Fraunhofer IOF的研究人员现在首次成功地使用电子束光刻技术生产出直径近30厘米的超表面,这是一项世界纪录。科学家们现在已经在《微/纳米图案、材料和计量学杂志》上发表了他们的方法。

研究人员首次成功地实现了直径为30厘米的超表面,与一欧元硬币对比。
弗劳恩霍夫应用光学和精密工程IOF微纳米结构光学系主任Falk Eilenberger博士解释说:“经过500年的透镜和镜子,是时候提前思考了”。所谓的超表面可以在这里成为另一种选择。这些组件将其完整的光学功能集中在一个表面,并通过纳米结构在表面实现此功能。Eilenberger解释了与经典镜头的区别,在镜头中,功能由宏观几何形状定义。这就是为什么镜头又厚又弯曲的原因。现在我们有一个超表面。它很薄,尺度小于光的波长。
超表面在科学和研究中已经使用了一段时间。然而,这里的组件通常只有几平方毫米的尺寸。这对于学术研究来说已经足够了,但对于许多工业应用来说却不够,当然也不会在未来成为经典镜头的真正替代品。


在电子束光刻的帮助下,弗劳恩霍夫IOF研究人员实现了高精度和高效率的高分辨率结构。
因此,德国耶拿Fraunhofer IOF的研究人员致力于如何在更大范围内实现创新的超表面问题。因此,他们现在首次展示了直径为30厘米的超表面。Eilenberger说:“我们不是超表面的发明者。但我们是唯一能够在如此大规模上展示它的人。”
高精度、高效率的高分辨率结构
但是研究人员是如何实现这一里程碑的呢?答案是:借助电子束光刻技术。Fraunhofer IOF研究员兼该研究所科学理事会成员Uwe Zeitner教授解释说:“为了产生我们的超表面,我们使用了电子束光刻的特殊书写策略,称为字符投影。字符投影是一种将图案划分为较小单元的方法。然后使用电子束在表面上依次创建这些小图案中的每一个。这使得以高精度和高效率制造复杂结构成为可能。”

Zeitner继续说道:“使用字符投影,可以以相对较高的速度并行曝光非常高分辨率的结构。这对于电子束光刻来说是不寻常的“。Zeitner教授与他的弗劳恩霍夫同事Michael Banasch博士和Marcus Trost博士一起概述了电子束光刻在大面积上制造微光学和纳米光学器件的潜力。
作者表明,传统的平版印刷技术经常达到制造较大结构的极限。研究人员说:“由于波长以下的结构尺寸很小,高分辨率电子束光刻原则上非常适合制造元结构。”
Uwe Zeitner表示:“然而,这项技术相对较慢。到目前为止,基本上只有面积相对较小的元素被它实现,主要是几平方毫米的数量级。对于较大的区域,曝光时间很快就会达到不切实际的大值。通过使用字符投影,科学家们现在能够解决电子束光刻的高分辨率和大元素区域的问题,而不会使曝光时间爆炸”。因此,该论文的作者表明,电子束光刻可以成为一种在大面积上制造微米和纳米光学结构的技术。

减小尺寸,同时增加功能
新的制造技术可以帮助构建未来明显更薄的光学系统。Falk Eilenberger说:“这项技术可以彻底改变成像光学系统,因为它将有可能减小系统的尺寸,同时增加其光学功能。”
Uwe Zeitner补充说:“这种大的超表面对于需要在狭小空间内具有大偏转角的紧凑型光学器件特别有利。例如,在虚拟/增强现实眼镜中就是这种情况。通过这种方法,也可以实现智能手机中非常小的光学器件的有利设计。其他潜在应用包括高分辨率光谱或计算机生成的全息图。”
相关链接:https://phys.org/news/2023-06-method-thin-metasurfaces-diameter-centimeters.html

2、一种使用超表面的微光学平台的介绍和应用
超表面是一种擅长操纵感知的人工材料。由于超表面可以将透镜的尺寸缩小到传统透镜的万分之一,它们作为光学组件,为下一代虚拟现实和增强现实以及激光雷达的光学系统实现微型化,引起了人们的极大关注。
如果超表面克服制造过程复杂和生产成本高昂的挑战,成为商业可行性,韩国可能会在纳米光学领域获得显著的技术优势。

一种使用超表面的微光学平台的介绍和应用,由机械工程系和化学工程系的Junsuk Rho教授领导的协作研究小组,与韩国浦项科技大学机械工程系的博士研究生Younghwan Yang 、 Junhwa Seong 、 Minseok Choi和Junkyeong Park(共同第一作者),以及工业科学技术研究所(RIST)的Gyoseon Jeon博士、Kyong - il Lee博士和Dong Hyun Yoon博士一起,在《光:科学与应用》上发表了一篇论文。

标题为:《Integrated metasurfaces for re-envisioning a near-future disruptive optical platform》,总结了基于超表面的近期微光学平台的研究趋势。他们还在期刊中提出了未来的研究方向和商业化的方法。
历史上,超表面研究一直专注于对光的特性进行充分的操纵,从而产生了各种各样的光学设备,如金属感应器、金属全息图和光束衍射设备。然而,最近的研究已经将他们的重点转移到将超表面与其他光学组件集成上。

研究团队在论文中提出了集成超表面的研究和应用。这些集成超表面是可以与各种标准光学组件(如发光二极管(LED)和液晶显示器(LCD))结合的光学组件。为了实现超表面的商业化,研究团队建议未来该领域的研究应专注于如何将超表面集成到常用设备中,使其适用于日常生活。
此外,研究团队强调了产业和学术界合作的重要性,强调了超表面研究对未来光学器件行业和国家竞争力的影响。他们强调,国家层面的支持和合作对于创新光学平台的发展至关重要。
Junsuk Rho教授解释说:“集成超表面是对现有电子技术的补充,并代表了多种应用的另一种创新解决方案。我希望能有持续的努力、研究和国家支持,以产生更创新的结果。”
相关链接:1. https://phys.org/news/2023-08-micro-optical-technology-based-metamaterials-center.html
2. https://dx.doi.org/10.1038/s41377-023-01169-4

3、具有水溶性的“模具”提高超表面制造效率。
智能手机上凸出的后置摄像头什么时候会过时?超表面的实现完全忽视了光的特性,有望将摄像头镜头的厚度降低到传统镜头的万分之一。然而,尽管取得了这一进步,但由于生产成本高和工艺复杂等仍然存在挑战。最近的研究揭示了一种具有水溶性的“模具”,提高了制造效率。
浦项工科大学机械工程系和化学工程系的Junsuk Rho教授和机械工程系的Joohoon Kim教授,以及高丽大学材料科学与工程系的Heon Lee教授组成的科研团队,开发出了一种水溶性模具。

通过其成功的应用,他们成功地制造了一个无瑕疵的高分辨率和高纵横比超表面。这些研究结果已经发表在Photon X上。
有两种主要的技术用于生产超表面。电子束光刻涉及使用电子束绘制图案,但成本高昂且制造速度慢。相比之下,纳米压印光刻采用雕刻模具来压印所需的结构,使其成为一种更经济、更快的方法。

这种方法有其自身的挑战,特别是在从模具分离的过程中存在损坏结构的风险。结构越大,损坏的可能性越高,这对实现必要的高分辨率和高纵横比至关重要。
为了解决这些限制,研究团队设计了一种水溶性纳米压印模具。他们采用了一种将模具溶解在水中的技术,而不是将结构从模具中物理分离,从而消除了破坏结构的风险。水溶性模具是用聚乙烯醇(PVA)制成的,这种柔性材料很容易溶解在水中。
此外,研究团队使用水溶性模具进行了实验,成功制备了1cm面积的超透镜。该超透镜具有高分辨率和高纵横比为10:1,允许它转录小于100nm的结构。值得注意的是,该模具在可见光范围内保持了其功能。这种新方法提供了一种经济和快速的纳米压印工艺,能够实现高分辨率和高纵横比的结果。

领导这项研究的Junsuk Rho教授解释说:“这项研究代表了通过使用水溶性模具进行纳米压印来实现高分辨率和高纵横比的一项成就。我希望这种方法与基于深紫外光刻的大面积模具制造技术相结合,不仅可以批量生产透镜,还可以批量生产各种超表面。该研究进展将为经济实惠且快速制造超表面铺平道路。”
相关链接:https://phys.org/news/2023-08-advancing-metasurface-water-soluble-mold.html

4、同济大学团队实现光频下宽带消偏振完美利特罗衍射
利特罗衍射是衍射光学中调控光波的最基本功能之一,通过在光栅的利特罗角度下入射,可使反射光的负1级次恰好与入射方向重合,因而作为逆反射器被广泛研究和应用。此外,宽波段的利特罗衍射还在微型光谱仪、通讯、脉冲整形和激光光谱合成等领域发挥重要作用。

近日,同济大学物理科学与工程学院王占山教授和程鑫彬教授团队,联合复旦大学物理系周磊教授,在美国光学学会著名期刊Optica上发表了题为“Broadband depolarized perfect Littrow diffraction with multilayer freeform metagratings”的文章。该成果通过超表面结构形状的拓扑优化,在非偏振、1030至1090纳米波段范围内,实现了效率优于99%的光频宽带消偏振完美利特罗衍射,有望推动基于光学超表面的激光光谱合成、微型光谱仪等相关仪器的发展。
相关链接:http://news.cyol.com/gb/articles/2023-08/12/content_Q4Bq6vsjoY.html

5、通过光学响应噪声调控打破光学超构表面偏振复用的容量局限
近期,南京大学物理学院彭茹雯教授、王牧教授课题组联合和美国东北大学刘咏民教授课题组,通过光学响应噪声调控打破了光学超构表面偏振复用的容量局限性。
他们首先从理论上演示了相关过程,接着通过实验证实通过单一超构表面能够实现 11 个独立偏振通道。所构造出的超构表面在不同偏振的单色可见光照射下,能观察到 11 种独立的全息图像。进一步地,他们将该方案与空间复用结合,从而实现了 36 阶的全息键盘。
值得关注的是,上述结果系迄今在光学超构表面偏振复用中的容量最高值。该研究为高容量光学显示、信息加密、数据存储等领域带来新的途径。尤其是在光通信与互联、光传感和探测、光计算、增强现实/虚拟现实(AR/VR)技术等领域具有应用潜力。
相关论文以《利用噪音工程突破光学超表面偏振复用极限》(Breaking the limitation of polarization multiplexing in optical metasurfaces with engineered noise)为题发表在 Science 上[1]。
南京大学物理学院熊波博士、博士生刘雨,以及美国东北大学博士生徐亦豪为论文并列第一作者。南京大学彭茹雯教授、王牧教授、美国东北大学刘咏民教授担任共同通讯作者。

偏振作为光的基本属性,不仅在光子学和信息技术等众多领域可以看见它的“身影”,例如传感探测、信号传输。然而,通过以往手段来进行光的偏振态调节仍受工作频段比较窄、光偏振转换效率低等因素限制。

最近几年,该团队利用金属与介电人工微纳结构与光的相互作用,找到了一系列以人工微纳结构为基础的有效调控光偏振态的方案。
在本次的新研究中,该团队打破以往思路,通过引入噪声调控突破了偏振复用的容量极限。此前的容量为 3 种独立通道,经过方案调整提升至 11 种独立通道。

并且,在这种理论策略基础上,他们还验证了该偏振复用技术和其他复用技术兼容的可行性,例如空间复用、角动量复用等。通过相关实验,研究人员在 0.33mm х 0.33mm 的样品上进行了验证。

结果显示,单一超构表面可生成 36 种独立的全息图像(具体包括 26 个英文字母,以及 10 个数字的全息键盘图案)。

对电磁波来说,该设计原理具有普遍性。它既能用于可见光,又能在红外、太赫兹、微波波段得以应用。此外,该原理在声波、弹性波等体系的器件设计方面也同样适用。

下一步,该团队计划推进新型偏振复用技术与波长复用、轨道角动量复用等技术融合。并且,他们还希望通过机器学习算法将器件到系统的多层级优化,进而使信息容量提升到更高水平,推动光通信、光互联、光计算、光传感等技术发展到达新高度。

“众所周知,噪音在科学和工程领域通常是有百害而无一利,打破常规思维、变‘废’为‘宝’,促成了此项工作。我们有理由相信,噪音工程必将为发展未来新科技,包括信息和能源新材料和新技术,提供独特的科学思路,开辟新的有效途径。”该团队表示。

6、英国赫瑞瓦特大学与华北电力大学等合作开发超表面光谱仪
光谱仪是一种光学仪器,其在基础研究、生物传感器、食品安全、药品检测、环境监测等领域应用较广。随着技术的发展,尽管商用光谱仪的体积已经比早期缩小很多,但总体的体积仍然较大。主要原因在于光谱仪中的色散元件(如衍射光栅、棱镜)等关键器件的体积比较大,再加上集成很多其他器件,导致光谱仪的整体体积庞大,其昂贵的成本也一直无法突破。
很多国内外课题组致力于发展光谱仪的微型化,但不可忽视的是,在光谱仪有限的体积内很难将整个系统很好地集成。
近期,英国赫瑞瓦特大学与华北电力大学等团队合作,开发了一种新型超表面光谱仪,不仅实现了传统光谱仪的功能,还通过制备多焦点超透镜,能够调控不同波长光束色散。通过该光谱仪实现了尺度为 300 微米、带宽为 180 纳米的可见光范围中,精度可达到纳米级别。
由于超表面的二维纳米结构的超平、超薄的特点,使得这种超表面光谱仪的体积可被制备得很小,仅为几百微米,系迄今世界上体积最小的光谱仪。该研究拓宽了片上光谱仪、信息安全、信息处理等领域的研究思路。
作者把超透镜的固有色散和多焦点特性结合起来,使波长信息通过焦点处的强度信息体现出来,这个想法非常巧妙。不同波长的光被聚焦在设计好的焦点位置,通过测量焦点处的强度信息获取入射光谱的信息。
近日,相关论文以《紧凑型多焦点超透镜光谱仪》(Compact multi-foci metalens spectrometer)为题发表在 Nature 子刊 Light: Science & Applications(IF 20.257)[1]。

国内企业方面,中光学(002189.SZ)6月28日在投资者互动平台表示,公司开启微纳光学超表面设计及工程化制造技术研究。
合肥和光微电子科技有限公司完成种子轮融资,融资资金将主要用于新款芯片流片和产品应用推广。

超表面光学作为一种新兴的光子学和电磁学领域的交叉技术,近年来受到广泛关注和研究。和光微是是国内超表面光学技术领域最早的商业化公司之一。公司专注于超表面光学技术的研究与应用开发,为全球客户提供先进的超表面光学功能芯片和超表面光学元件。

苏州山河光电致力于超表面光学芯片的研发,采用先进的半导体工艺和晶圆级集成封装技术,制造平面光学器件及系统(如超透镜、微型光谱仪、激光雷达、超表面光计算芯片等)。公司核心团队由海内外知名科研院所的博士及产业界专家构成。

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