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Large focal length planar focusing of Dyakonov polaritons in hyperbolic metamaterial
双曲型超材料中Dyakonov
极化子的大焦距平面聚焦
研究背景
亚波长光学聚焦涉及到在深亚波长尺度上控制和集中电磁能，它能够超越经典光学遇到的衍射极限，增强光与物质之间的相互作用。这种能力在光学成像、纳米级能量流操纵、非线性光学和改进的分子传感等领域开辟了有前途的应用。具体来说，平面内亚波长光学聚焦对于集成平面光子学的基础研究和应用研究都是必不可少的。最近的研究表明，α-MoO3中的双曲声子极化子（HPhPs）支持高波矢量和强电磁约束，为在双曲约束带中实现平面亚波长聚焦提供了一种有趣的方法。
文章亮点
实现亚波长光学聚焦在纳米光子学中具有重要意义。然而，实现小焦斑尺寸和大焦距的聚焦到目前为止仍然是难以实现的。本文提出了一种利用双曲型超材料中的高取向Dyakonov极化子，以周期银环为激发源的大焦距平面聚焦装置。实验结果表明，通过控制激发源的尺寸，可以使焦距达到6λ0（其中λ0为照明波长），使焦斑尺寸减小到λ0/10。该方法为平面偏振子光学的应用提供了新的前景。
结果解析
图1.超材料中Dyakonov极化子平面聚焦的概念设计。a)实验示意图。b)励磁源示意图。银环的周期为d¼500 nm。c)超材料部分放大。银槽的周期为P¼80 nm；空气的填充率为均匀的¼50%。d)超材料中Dyakonov极化的解析IFC。e-f)分别模拟了周期银环发射的超材料中Dyakonov极化子近场Re（Ez）和振幅|Ez|分布的实部。
图2. 三种不同银环直径下超材料中Dyakonov极性的数值模拟。a)不同银环直径Dyakonov极化子聚焦的近场分布， |Ez|的模拟振幅。b)超材料中Dyakonov极化子的角色散。c) θ与φ的关系。
图3. 银环直径达2000、2500和3000 nm的聚焦装置的SEM图像。全双曲型超材料长15 μm，宽6 μm。
图4. 超材料中Dyakonov极化子焦距控制的实验结果。a)不同银环直径的Dyakonov极化子聚焦的测量近场光学图像的振幅|Eraw|。箭头表示焦点的位置。b)焦距F的实验值与模拟值与银环直径D的关系。c)不同银环直径下焦斑的频宽。
结论与展望
在这项研究中，我们提出了一种新型的大焦距平面聚焦装置，该装置利用平面内双曲超材料中的Dyakonov极化子，由周期性银环激发源发射。通过调整周期银环的结构尺寸，可以将焦距扩展到9290 nm，约为入射波长的6倍。此外，焦点光斑尺寸减小到入射波长的1/10。在这项工作中实现的延长焦距和高度压缩聚焦为生物传感和平面纳米光子系统基本组件的开发等应用铺平了道路。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2024.06.003
期刊简介
Progress in Natural Science: Materials International(PNSMI)由中国材料研究学会主办，是一本综合类英文SCI学术期刊，刊登材料科学领域的基础研究和应用基础研究方面的高水平、有创造性和重要意义的最新研究成果。
2022年最新影响因子4.8，分区为中科院材料科学二区。入选2019年中国科技期刊卓越行动计划，2022、2023连续两年获评中国最具国际影响力学术期刊。
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