中国科学院苏州纳米所张兴旺团队：将光学超表面的厚度推向极限

紧凑、轻薄的光学系统对光学器件的厚度提出了更高的要求。近年来，介质光学超表面由于可以在亚波长尺度下对光场进行操控，因此在轻薄光学器件中具有广泛的应用前景。然而受限于相位调控对厚度的要求，当前介质光学超表面的厚度通常限制在百纳米量级。为了打破相位调控对厚度的限制，近日中国科学院苏州纳米所张兴旺团队的周嘉欣等人借助二维半导体激子效应产生的高折射率和导模谐振增强相位调控的原理，成功地在实验上将光学超表面的厚度推进至35 nm。相关成果已于近日在Nano Letters上在线发表。

此前，该团队的周嘉欣和黄迪等人在光子晶体结构中发现了一种可以工作在极限厚度下的高品质因子导模谐振，为极限厚度下的光场调控奠定了基础（图1）。（Optics Letters 49,3990-3993 (2024)）

图1.极限厚度下的高品质因子导模谐振

利用该导模谐振对光场调控的增强作用，该团队的王栎沣等人通过打破面内结构对称性，实现了光学双折射谐振型超表面，并基于此在实验上实现了厚度仅为50 nm的四分之一波片（图2）。（Laser & Photonics Reviews 18 (6),2301088 (2024)）

图2.厚度仅为50 nm的超表面四分之一波片

进一步地利用导模谐振特有的光子能带结构，该团队的周嘉欣等人提出一种谐振型超表面，并引入几何相位调控，在布里渊区操纵光子能带结构，产生具有高色散的空间变化相位操控。依据相位梯度关系，光子能带发生圆偏振依赖的复制与平移，垂直入射的圆偏振光将带间跃迁至交叉偏振态能带上，偏振态和动量都发生改变，最终实现圆偏振选择性的光束偏转功能（图3）。 (ACS Photonics 11,2707−2712(2024))

图3. 谐振型光子器件中的能带调控工程

基于以上的研究基础，该团队的周嘉欣等人利用二维半导体激子效应所产生的高折射率，在极限厚度下实现高品质因子导模谐振。进一步地利用导模谐振增强偏振转换效率，基于几何相位调控原理，实现了厚度仅为35 nm的谐振型相位梯度超表面，并且在实验上验证了偏振分束器、超透镜和全息显示功能，为更高密度的光学器件集成提供了更多的可能性（图4）。（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02439）

图4. 厚度仅为35 nm的相位梯度超表面及其在全息显示上的应用

以上研究获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划、苏州市科学技术局、江苏省科技厅、江苏省卓越博士后计划等项目的支持，同时也得到了中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）、纳米加工平台的支持。