PhotoniX 专题分享：超材料与纳米光子学

NO.1 

High-dimensional Poincaré beams generated through cascaded metasurfaces for high-security optical encryption

级联超构表面阵列——构建高维结构光场，助力光学信息加密

作者

计吉焘，陈晨*，孙嘉程，叶欣，王志章，李坚，王骏溢，宋万鸽，黄春玉，邱凯，祝世宁，李涛*

单位

南京大学

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PhotoniX5, 13 (2024). https://doi.org/10.1186/s43074-024-00125-8

概述

得益于超薄的器件尺寸和易于集成的优势，超构表面具有空间可扩展性，级联式和阵列化的超构表面有望为高安全性、大容量的光学信息加密和防伪开辟新的途径。根据这一思路，本文提出了一种基于级联超构表面阵列的高维庞加莱光束加密方案。通过级联不同的超构表面子单元，按需生成完美高维庞加莱光束，展示了光学信息加密功能，有望推动光学信息安全的快速发展。该研究以“High-dimensional Poincaré beams generated through cascaded metasurfaces for high-security optical encryption”为题目发表于 PhotoniX 期刊。

NO.2

Multiplexing near- and far-field functionalities with high-efficiency bi-channel metasurfaces

利用高效双通道超表面实现近场和远场功能的复用

作者

戴昌红，刘通，王冬逸*，周磊*

单位

复旦大学，香港科技大学，香港浸会大学

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PhotoniX5, 11 (2024). https://doi.org/10.1186/s43074-024-00128-5

概述

传播波和表面波是两种不同类型的光传输模式，其自由调控在集成光子学中都有较高需求。然而，先前实现的器件往往有尺寸庞大、效率低下，和/或局限于单通道光调控（即只有近场功能或远场功能）等问题。近日，复旦大学物理学系应用表面物理国家重点实验室、上海市超构表面光场调控重点实验室周磊教授团队和香港科技大学刘通博士，香港浸会大学王冬逸博士合作，在 PhotoniX 上发表论文“Multiplexing near- and far-field functionalities with high-efficiency bi-channel metasurfaces”。文中，作者提出了一种设计高效双通道超表面器件的通用方法，该器件由各向异性的单元胞构成，该反射式单元胞同时利用结构共振相位和旋转几何相位，以特定宏观序排列可在近场和远场通道中实现两种解锁的光调控功能。文中的研究结果将多功能超表面的波前控制扩展到所有的波传输通道，对集成光子学中的新应用有重要启示。

NO.3

Ultra-wideband terahertz fingerprint enhancement sensing and inversion model supported by single-pixel reconfigurable graphene metasurface

单像素可重构石墨烯超表面支持的超宽带THz指纹增强传感及反演模型

作者

刘炳伟，彭滟*，郝雨凡，朱亦鸣*，常胜江*，庄松林

单位

上海理工大学，南开大学现代光学研究所

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PhotoniX5, 10 (2024). https://doi.org/10.1186/s43074-024-00129-4

概述

现有基于多像素或角度复用的超表面宽带检测技术在实测中要求样品用量较多，或器件具有的调谐带宽较窄。来自上海理工大学光电学院的彭滟小组首次提出一种新颖的单像素可重构石墨烯超表面设计，其兼具同步与异步电压调谐功能。在同步电压调谐下，其可实现对不同痕量分析物的超宽带分子指纹检测以及手性光学异构体的鉴别。在异步电压调谐方案下，其可实现宽带范围内EIT共振的动态重构及慢光调制。此外，该研究中还开发了一种通用的超表面指纹光谱反演模型，首次解决了该类器件在宽频谱范围内检索分子指纹时信号的畸变问题。该研究成果于2024年4月15日以“Ultra-wideband terahertz fingerprint enhancement sensing and inversion model supported by single-pixel reconfigurable graphene metasurface”为题发表于 PhotoniX。

NO.4

Observation of single-molecule Raman spectroscopy enabled by synergic electromagnetic and chemical enhancement

电磁增强和化学增强协同工作新策略实现单分子拉曼光谱观测

作者

杨海遥，莫昊燃，张简智，洪丽红，李志远*

单位

华南理工大学物理与光电学院，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室

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PhotoniX 5, 3 (2024). https://doi.org/10.1186/s43074-024-00119-6

概述

经过近五十年的发展，SERS技术取得了巨大的进步，但是距离终极目标：将拉曼信号增强到可媲美荧光强度的水平，以实现快速可靠的单分子识别及检测，还有相当大的距离。为实现这个伟大的目标，还需要继续探索新拉曼增强机制。业界公认，SERS的增强来源可以总结为两种机制：电磁增强机制（EME）和化学增强机制（CME）。电磁增强机制源自于贵金属的纳米结构之间形成的等离激元共振，可以呈数量级地增强局域内的电磁场强度，形成所谓的“热点”，“热点”的强度取决于金属的成分、纳米结构和尺寸以及结构中间隔的距离，是一种与待测分子无关的远程效应。目前，基于这种机制的增强已经可以达到10个数量级左右。而化学增强机制被认为是待测分子与其吸附的表面之间发生了电荷传递，为发生拉曼散射的电子提供了增幅。化学增强是源于直接接触的短程效应，待测分子与其吸附的表面之间发生了电荷传递，提升了参与可发生拉曼散射的电子态的数量。分子和表面材料的能级都会对其造成影响，近来获得广泛关注的半导体二维材料——过渡金属硫族化物由于其直接带隙特性，有相当的潜力作为拉曼光谱的化学增强基底，与能级匹配的分子搭配工作，可以提供3至5个数量级的拉曼增强。本研究于2024年2月29日以Observation of single-molecule Raman spectroscopy enabled by synergic electromagnetic and chemical enhancement为题发表于PhotoniX。

NO.5

Reconfigurable flexible metasurfaces: from fundamentals towards biomedical applications

可重构柔性超表面器件:从基础到生物医学应用

作者

田江涛，曹文翰*

单位

上海科技大学

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PhotoniX5, 2 (2024). https://doi.org/10.1186/s43074-023-00116-1

概述

在早期负介电常数和负磁导率器件的基础上，经过多年的深入研究和发展，超材料已逐渐成为信息科学、物理学、材料科学等多个交叉领域的研究热点和前沿学科。而超表面作为其二维平面形式，由于其独特的电磁特性和平面结构，加之在可重构及柔性共形方面的巨大潜能，近年来受到国际研究人员的青睐和广泛关注。超表面在生物医学方面的应用也从探索阶段逐渐步入实际应用阶段。来自上海科技大学的研究团队针对可重构柔性超材料的发展历史、基本原理、制造工艺、生物医学领域的应用以及未来的发展趋势进行了全面的回顾和分析。相关成果于2024年1月22日以“Reconfigurable flexible metasurfaces: from fundamentals towards biomedical applications”为题发表于 PhotoniX。

NO.6

Realization of high aspect ratio metalenses by facile nanoimprint lithography using water-soluble stamp

便捷加工厘米级超表面透镜——基于水溶性模具的纳米压印技术

作者

Hojung Choi, Joohoon Kim, Wonjoong Kim, Junhwa Seong, Chanwoong Park, Minseok Choi, Nakhyun Kim, Jisung Ha, Cheng-Wei Qiu, Junsuk Rho*, Heon Lee*

单位

韩国首尔大学，浦项科技大学

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PhotoniX4, 18 (2023). https://doi.org/10.1186/s43074-023-00096-2

概述

有别于电子束光刻，纳米压印兼具低成本、高产量和高分辨率的优势。顾名思义，纳米压印通过机械“压印”的方式将主模板的图形转移到另一媒介上，如同印章过程。然而，纳米压印用于超表面加工依然存在着许多问题。首先，超表面通常由折射率较高的材料构成，如TiO₂，Si，金属等等。而纳米压印的材料一般折射率较低，例如PDMS。因此，压印完成后通常需要进行二次加工，包括沉积高折射率材料以及蚀刻垂直结构。在此过程中，额外的加工缺陷不可避免被引入，从而破化超表面的光学性能。其次，超表面结构单元常要求高深宽比，例如超表面透镜。因此，在纳米压印的剥离工序中，需避免剪切力对高深比结构的损坏。韩国首尔大学与浦项科技大学的研究人员提出了一种无需二次加工，实现高质量厘米级高深宽比超表面的纳米压印技术，为上述问题提供新的解决思路，相关工作以“Realization of high aspect ratio metalenses by facile nanoimprint lithography using water-soluble stamp”为题发表在 PhotoniX 期刊。

NO.7

Electric field enhancement of coupled plasmonic nanostructures for optical amplification

等离子体“机缘”耦合与光场调控

作者

Jun Hyun Kim, Ja Yeon Lee, Eung Soo Kim, Myung Yung Jeong*

单位

国立釜山大学，釜山外国语大学，ESPn医疗合作（译）

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PhotoniX4, 8 (2023). https://doi.org/10.1186/s43074-023-00086-4

概述

韩国国立釜山大学（PNU）、ESPn医疗以及釜山外国语大学的学者们，研究了金属基等离子体纳米结构（metal-based plasmonic nanostructure，MPN）来耦合电场实现光场调控，以提高光学成像系统的空间分辨率。基于偶极子纳米天线（dipole nanoantenna，DN）和光栅纳米结构（grating nanostructure，GN）理论设计了等离子体纳米结构，该结构基于SPR和各结构中电场的耦合与增强，可调控特定光信号并将其放大2.24倍。此外，当MPN应用于两个光学成像系统时，通过功能性近红外光谱技术（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）将光学信号放大106倍，就能分辨出原来与噪声相似的难以分辨的信号，从而获得更清晰的图像，并在荧光图像中增强特定波长。因此，这种纳米结构的提出增加了收集数据的效用，并可以调控增强光学、生物成像和生物学应用中的光学信号。相关成果以“Electric field enhancement of coupled plasmonic nanostructures for optical amplification”为题，于2023年2月8日发表在 PhotoniX 上。

NO.8

Manipulating light transmission and absorption via an achromatic reflectionless metasurface

消色差无反射超构表面对光的透射与吸收特性的自由调控

作者

郑晓颖，林婧*，王卓，周昊阳，何琼*，周磊*

单位

复旦大学

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PhotoniX4, 3 (2023). https://doi.org/10.1186/s43074-022-00078-w

概述

复旦大学物理学系/应用表面物理国家重点实验室周磊教授团队从耦合模理论出发，建立起了能够描述双通道双模式耦合光子共振体系的理论方法，并结合数值模拟与光波段实验验证了该理论对于体系的响应预测与谱线设计能力，最终在特定条件下（Kerker条件）实现了超宽频带消色差无反射的超构表面器件，并在一定带宽范围内实现了光在透射通道和吸收通道之间的能量自由切换。相关成果以“Manipulating light transmission and absorption via an achromatic reflectionless metasurface”为题于2023年1月6日在线发表在 PhotoniX 期刊。

NO.9

Planar metasurface-based concentrators for solar energy harvest: from theory to engineering

平面超表面太阳能聚光器

作者

张琤，湛雨杰，邱用雪，许蕾蕾，官建国*

单位

武汉理工大学

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PhotoniX3, 28 (2022). https://doi.org/10.1186/s43074-022-00074-0

概述

光学超表面是由亚波长尺度的人工原子组成的平面结构。它们显示出按需操纵电磁波的非凡能力，从而为通过人工原子和入射波之间的强耦合生成离散相位分布提供了一种全新的方法。光学超构透镜，即超表面聚光器，显示出通过设计构建单元来实现对角度色散和频率色散控制的巨大潜力。因此，它们有望取代传统的透镜和镜子，进行有效地捕获宽带、广角的太阳光，而无需复杂的太阳光跟踪系统，以产生成本效益高的电力。此外，它们比太阳能集热系统中使用的曲面透镜或反射镜更适合开发紧凑型平台。2022年11月29日 PhotoniX 期刊在线发表了以武汉理工大学张琤副教授为第一作者，武汉理工大学材料学科首席教授、长江学者特聘教授官建国为通讯作者，题为“Planar metasurface-based concentrators for solar energy harvest: from theory to engineering”的综述论文。文章系统地总结了超构透镜的设计原理和不同波段下的构建材料，重点介绍了超构透镜聚焦效率、工作带宽和角度稳定性三个方面的影响因素，以及大面积超构透镜的制备方法，并阐述了用于太阳能收集的超构透镜的未来发展趋势和挑战。

NO.10

Plasmonic anapole metamaterial for refractive index sensing

等离激元anapole超构材料传感器

作者

姚金，欧俊裕，Vassili Savinov，陈沐谷，郭信佑，Nikolay I. Zheludev*，蔡定平*

单位

香港城市大学，英国南安普顿大学，新加坡南洋理工大学

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PhotoniX 3, 23 (2022). https://doi.org/10.1186/s43074-022-00069-x

概述

等离激元超构元件可在纳米尺度增强光与物质的相互作用，对环境变化等外部扰动具有很高的灵敏度，在传感领域具有广阔的应用前景。香港城市大学电机工程系蔡定平教授课题组于2022年10月14日在 PhotoniX 上发表了题为Plasmonic anapole metamaterial for refractive index sensing的文章。该篇文章在光学频段实验证实了等离激元anapole超构材料传感器。通过集成两个谐振单元并调控其相互作用，有效地激励了anapole模式并获得了更高的谐振品质因子和局域电磁场增强。在环境折射率传感应用方面，实验上获得了330 nm/RIU的高灵敏度和8.7×10^-5 RIU的探测极限。这种超构元件为动态调控anapole模式提供了新思路，可广泛应用于生物传感和光谱学。

NO.11

Self-induced transparency in a perfectly absorbing chiral second-harmonic generator

在完美手性吸收二次谐波发生器中的自诱导透明

作者

侯建坤，林锦添，朱杰夫，赵国林，陈耀，张方醒，郑远林，陈险峰，程亚*，葛力，万文杰*

单位

上海交通大学，华东师范大学

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PhotoniX3, 22 (2022). https://doi.org/10.1186/s43074-022-00068-y

概述

材料对电磁能量的吸收是许多应用的基础现象，近年来，研究人员发现通过控制入射波之间的干涉，可以实现对电磁辐射的完全吸收，这类系统被称作相干完美吸收体（CPA），其在光学信息处理，能量存储，光电探测，光学传感等领域有广泛的应用前景。上海交通大学万文杰教授团队联合华东师范大学程亚教授团队，用实验演示了一个完美吸收光学微腔的自诱导透明效应，该微盘腔系统在线性条件下完全吸收低功率入射波，但增大输入功率后，基频光波与二次谐波之间的非线性耦合打破了相干破坏的条件，系统变为部分透明。此外，研究人员还利用微腔表面附着的散射颗粒破坏微腔的手性对称性，使系统具有非对称性散射特征，然后通过相位变化实现了对完美吸收态的手性相干控制。这种相干控制可以进一步扩展到二次谐波，从而产生具有高分辨比的二次谐波手性激发。这些结果在其他具有非线性的物理系统中具有普遍性。研究工作于2022年10月以 “Self-induced transparency in a perfectly absorbing chiral second-harmonic generator” 为题发表于 PhotoniX 期刊。

NO.12

Metasurface with dynamic chiral meta-atoms for spin multiplexing hologram and low observable reflection

用于自旋复用全息与降低反射探测性的动态手性超构表面

作者

王贺，秦喆，黄玲玲*，李勇峰*，赵睿哲，周宏强，贺昊阳，张介秋，屈绍波

单位

北京理工大学，空军工程大学

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PhotoniX3, 10 (2022). https://doi.org/10.1186/s43074-022-00057-1

概述

基于手性超构表面对圆极化电磁波的调控是目前的热点之一。其中，圆二色性是手性结构所能产生的独特现象，在人工电磁材料领域得到极大的关注。其被认为是电磁调控的辅助维度，但目前仍是一个项具有挑战性的课题。2022年4月，北京理工大学黄玲玲教授课题组与空军工程大学屈绍波教授课题组合作在 PhotoniX 期刊发表论文“Metasurface with dynamic chiral meta-atoms for spin multiplexing hologram and low observable reflection”，此工作将手性结构与有源器件相结合，在微波频段产生明显的圆二色性。通过外加电压驱动，实现自旋复用全息成像与低可探测性反射的功能动态切换。所提出的策略可用于拓展动态手性超表面的研究，有望应用于信息加密、防伪、拓展信息容量和动态自旋复用调控中。