面上项目（63万）：光学超表面波长选择和带宽调控机制研究
科技
2024-07-16 08:15
英国
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近日，国家纳米科学中心的研究团队，成功完成了面上项目（63万）：光学超表面波长选择和带宽调控机制研究。超表面是由尺寸在亚波长范围内的超原子或分子构成的二维纳米结构，可对光的波前进行任意操控，是近年来研究前沿和热点之一。目前，利用超表面已经成功实现了隐身、涡旋光等奇异光场以及全息和透镜成像等，但在可见光波段宽光谱效应不明显或者效率偏低，不利于其在可见光波段光学元件中的应用。本项目拟在前期超表面波前调控及全息研究的工作基础上，针对如何实现超表面在可见光波段的宽光谱、高效率波前调控这一科学问题，提出基于多材料复合膜耦合和超分子多单元复用对波前调控目标与机制的不同产生协同效应实现可见光波前调控的新构想，研究通过多材料复合膜提高透过率与衍射效率、超分子多单元复用拓宽响应光谱的波前调控机制，构建超表面光学性能与结构参数的本构关系，制备出具有应用前景的新型全息和广角超透镜，并符合设计。本项目对基于新型超表面结构平面光学器件的设计、制备与应用具有重要的理论意义和实用价值。光学超表面在两种界面处产生的相位突变保证其在亚波长尺度范围能够任意调控光的波前，可发展新原理多功能集成光学器件。但目前光学超表面应用面临的一个问题是工作带宽和调控效率低。本项目基于复合纳米结构，并结合新工作机制研究其对光的波前的波长选择、多光谱/宽光谱高效调控，发展高性能新功能纳米光学元件。.具体研究成果如下：. （1）基于单一介质材料（Si、TiO2、Si3N4），发展了一种新型全息超表面的编码方法，可大大提高隐藏图像信息的安全性；利用超振荡效应，发展了宽带超振荡超透镜、斜入射超振荡超透镜、多波长消色差超振荡超透镜、旁瓣抑制超振荡超透镜，在提高超透镜分辨率的同时，分别部分解决了工作带宽小、斜入射像差大、色差和旁瓣能量占比大的问题；基于纳米圆筒结构和具协同效应的分区设计，发展了一种宽带消色差超透镜，实现了450-1400 nm波段范围的超宽带性能。.（2）基于蓝宝石（Al2O3）衬底，使用Si3N4和Al复合膜，研究了一维纳米光栅的波长调控，提出了一种工作波长为905 nm的窄带滤波器设计，在工作波长处存在一个较窄透射峰，透过率近90%，有望应用于市场巨大的车载激光雷达。.（3）将复合材料的纳米结构从一维拓展到二维，开展了光学超表面的非线性研究。针对一般光学器件非线性转化效率低的问题，我们发展了Au/GaAs混合纳米结构超表面，其二次非线性转化效率可提高至1.5‰，比单一材料的效率提高2个数量级。.（4）基于金属/介质复合材料，进而构建了三维纳米结构：基于Au/SiO2 3D纳米复合结构，发展了一种可精确设计的高性能3D SERS探针的普适方法，大大提升了SERS传感器的探测性能；我们进一步优化设计，并发展高性能SERS芯片的晶圆级制备方法，在降低芯片成本的同时，再次提升SERS传感器的性能。.在本项目资助下，申请发明专利4项，其中已授权2项，发表学术论文14篇（其中有7篇因疏漏标未注基金资助号）。链接：https://pan.baidu.com/s/1qUK54vAMvUbHI5VjY9qLPQ 提取码：wzgy
