基于表面或二维材料的非线性负折射及其应用的研究

Negative refraction has attracted particular interest in these years because of its promise for super-resolution imaging. Recent advancements in nanotechnology enable novel lenses, such as, superlens and hyperlens, with sub-wavelength resolution capabilities by specially designed refractive indices with metamaterials and transformation optics. However, negative index metamaterials are typically lossy, narrow band, and require complicated fabrication processes. Recently, alternative approaches to obtain negative refraction by nonlinear methods like phase conjugation and four wave mixing have been proposed and demonstrated experimentally, though none of them have been implemented for super-resolution imaging. In this project, we will firstly study the nonlinear wave mixing process with evanescent waves in surface or 2D materials and present some new nonlinear negative refraction methods. Then, super-resolution imaging by the nonlinear negative refraction methods will be demonstrated both numerically and experimentally. At last, to improve the imaging resolution of the nonlinear negative refraction methods, metasurface with high nonlinear response will be designed. Our approach has advantages of no loss, Non-fluorescent and non-scanning, which is promising to promote the optical microscope into the nanometer region.

负折射因为有望实现超分辨成像，在近些年受到特别关注。最近纳米加工技术的发展使得利用超材料和变换光学制造的超透镜和双曲透镜具有亚波长的分辨率。然而，负折射率超材料通常伴随高损耗、窄带宽的问题，并且需要复杂的加工工艺。最近，替代超材料获得负折射的非线性方法，如相位共轭和四波混频，被提出和实验上证明。但是还没有实验将非线性方法应用到超分辨成像中。在本项目中，我们将理论上研究倏逝波在表面或者二维材料中的非线性过程，提出一些新的非线性负折射方法。然后模拟和实验上证明非线性负折射的超分辨成像能力。最后我们还将设计具有高非线性响应的超表面材料，以此提高非线性负折射的成像能力。我们的方法具有无损耗、非荧光、无需扫面的优点，有望推动光学显微镜进入纳米时代。

光学成像是科学家研究微小物体的重要手段。然而，传统的光学成像方法受到衍射极限的限制。本项目中我们提出利用非线性负折射实现超分辨成像的方法。在这个方法中，一片薄金属膜被用作非线性负折射透镜。通过理论求解非线性耦合波方程组和FDTD模拟，我们证明非线性负折射透镜的超分辨成像能力。单层薄膜材料的非线性效应很弱，为了提高频率转换效率，我们设计了石墨烯-金光栅结构。该结构可以让参与差频过程的三个波长同时共振，表面等离子体共振现象能够极大增强材料周围的电场，有效提高非线性转换效率。所设计的结构与单层石墨烯相比，转换效率提高8000倍以上。传统的金属光栅制备方法存在成本高、速度慢、面积小等问题。我们实验上实现了两种低成本、快速制备金属光栅的方法。第一种方法是利用纳秒激光干涉单次曝光光刻胶，然后再镀上银膜，形成空气-银-光刻胶三层结构的光栅。这种结构可以激发多个波长的异常光学透射效应，可以用于光学滤光片、增强拉曼光谱、生物传感等领域。第二种方法是直接剥离DVD-R光盘的铝光栅层。这种方法制备的光栅周期为740 nm，深度为86 nm，可以有效激发表面等离子体共振（SPR）现象。使用该光栅我们搭建了折射率传感器，其灵敏度为637 nm/RIU，品质因数大于21，在同类传感器中处于较高的水平。为了进一步提高光栅耦合波长调制型SPR传感器的灵敏度，我们推导了该类传感器灵敏度的解析表达式，发现具有较大光栅周期（P）和较低衍射级（m）的SPR传感器具有更高的灵敏度。在近红外波段，传感器灵敏度可以用P/|m|这个简单表达式来估计。这个理论分析结果对如何优化设计SPR传感器有重要指导意义。