![]()
图1 柔性基底超表面的加工过程
1. 导读
近年来，基于柔性基底的光学超表面获得了人们的广泛关注。其中，利用柔性基底的可拉伸特性进行形变测量是研究热点之一。在已有的报道中，研究人员一般通过测量柔性超表面的透射和反射光谱，以建立形变与光谱之间的联系。尽管这种方法已成功证明其有效性，但光谱测量系统的复杂性限制了柔性超表面在传感领域的进一步应用。同时，柔性超表面复杂的加工工艺也对其应用前景构成了挑战。针对这些问题，近日，西北工业大学温丹丹/赵建林教授团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种利用超表面达曼光栅进行形变测量的方法。通过将超表面达曼光栅封装在PDMS中，在入射光的照射下，可在观察平面上形成点阵图案。在不同拉伸条件下，通过 CCD捕捉这些图案，从而推断柔性材料的形变。该方法的最小分辨率取决于点阵图像大小和 CCD 上相邻像素的分辨率，突破了先前将柔性材料的形变与光谱相关联的方法对于测量精度的限制。研究团队在633 nm的入射光下实现了 0.0057% 的最小形变分辨率。该方法通过简单的图像分析实现了柔性材料的高精度形变测量，避免了使用复杂的光谱测量系统，为柔性超表面的传感应用开辟了新的途径，具有广泛的实际意义。2. 研究背景
光学超表面作为二维亚波长器件，已经成为在纳米尺度操控光的强大工具。它们能够有效地控制光的振幅、相位和偏振，为各个领域带来了新的可能性，例如超表面全息、光谱重构、特殊光场生成以及光学信息加密等。然而，大多数传统超表面是在刚性基底（如玻璃或者硅）上制造的，其功能通常在制造后固定。此外，许多传统超表面的纳米结构暴露在空气中，导致其在非洁净室环境中容易迅速失效或遭到永久性损坏。这不仅增加了维护成本，也限制了超表面的广泛应用。因此，提高超表面的稳定性和灵活性已成为重要的研究方向。近年来，基于柔性基底的超表面引起了广泛关注。例如，通过改变柔性基底的形状，可以动态调整超透镜的焦距；通过调节柔性基底的变形，可以实现可调的结构色。此外，可以利用柔性基底的变形来校正波前的相位畸变。除了光场调控，基于柔性基底的超表面还为传感器设计带来了更大的灵活性和创新性。例如，可以实现对环境参数（如应力）的实时监测与控制。然而，先前的研究主要依赖于在变形条件下测量不同的透射和反射光谱，以建立形变量与光谱之间的相关性。尽管这种方法已成功验证其有效性，但光谱测量系统的复杂性限制了柔性超表面在传感领域的进一步应用。3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员提出了一种利用金属铝作为牺牲层的加工工艺，这种加工工艺克服了双层光刻胶工艺所存在的加工难度大、成本高、无法大规模应用的缺点。首先，在镀好的金属铝膜上制备超表面纳米结构，随后将液体PDMS涂覆至纳米结构上方，固化PDMS，接着利用稀盐酸腐蚀金属铝，成功的将纳米结构转移至PDMS中，最后进行封装（见图1）。柔性基底超表面制备完成后，将其置于测试光路中（见图2），使用两个位移台夹持样品，分别在不同的拉伸比例下测量光斑的形变量，利用夫琅禾费远场衍射公式计算得到拉伸量，并与由位移台直接读取的数据进行比较。图3展示了由位移台读取的数据与由图像测量计算得到的数据对比图，可以看出，基于夫琅禾费远场衍射方法的解析计算结果与实验测量结果得到了很好的吻合。研究团队接下来在不同的波长下（633 nm、590 nm、 532 nm）分别进行了测量，在10%的拉伸比例内，样品在上述波段均展现出了稳定的信噪比，为需要实时监测的场景提供了可能。通过实时捕捉点阵图案，可以实现对材料状态和环境变化的及时反馈，为智能传感器和监测系统的开发提供了新的思路和技术基础。![]()
图2 利用达曼光栅实现形变测量光路
![]()
图3 由位移台读取的数据与由测量计算得到的数据对比图
4. 应用与展望
研究团队提出的利用铝作为牺牲层制造柔性基底超表面的方法，是一种低成本且成功率高的方法。通过利用达曼光栅生成点阵，可以观察到图像在不同形变下的显著变化。值得注意的是，从成像变化中推断出的形变参数与实验测量结果高度一致，这进一步验证了方法的有效性及形变捕捉的精准性。这种方法不仅证明了制备柔性基底超表面的可行性，更进一步发展了其在形变监测领域的应用潜力。这一研究将推动柔性超表面在光学传感与成像技术等领域的应用。该研究成果以“Stretchable
Plasmonic Metasurfaces for Deformation Monitoring”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Peiyang Li, Kaikai Gao,
Ruize Ma, Kai Pan, Dong Li, Feng Liu, Peng Li, Xuetao Gan, Jianlin Zhao, Dandan
Wen，其中Peiyang Li为第一作者，Dandan Wen教授为通讯作者。温丹丹教授团队隶属于西北工业大学物理科学与技术学院/陕西省光信息技术重点实验室/光场调控与信息感知工业和信息化部重点实验室。
