超构表面全空间近远场光波独立操控机理及器件研究

Metasurfaces can responses to the wavelength, polarization, amplitude and phase of lightwaves in different ways. When the light is incident, metasurfaces will generate nanoprinting patterns with high resolution in near-field or holographic image with high fidelity in far-field. Moreover, resonance makes metasurfaces arbitrarily distribute the energy of transmissive and reflective space. Though the combined effect of multi-physical fields poses challenges to the simplicity and robustness of light manipulation, it will make metasurfaces realize more powerful capabilities and characteristics. Based on it, we intend to provides a new multiplexing method for nanoprinting of near-field and wavefront control of far-field in transmissive and reflective space, and finally the metasurfaces will achieve independent manipulation of lightwaves both in near and far field covered the whole space. To this end, we plan to establish a theoretical model for the interaction between metasurfaces and electromagnetic fields, optimize and obtain the best geometry structure of unit cell which can manipulate near-far field lightwaves in full-space independently and create corresponding devices. Furthermore, we will explore the design method and evaluation system of the device. The project can clarify the mechanism of that how metasurfaces realize independent manipulation of near-far field light in full space. In applications, it can form a compact and powerful new planar optical component, which has broad prospects in several fields such as human-computer interaction and information security.

超构表面对光波波长、偏振态、振幅及相位具有独特的响应，光波入射至超构表面时，在近场可以得到高分辨率的纳米印刷图案，或在远场产生高保真度的全息图像，而共振特性的引入又使其可以对透反射空间能量任意分配。多物理场的综合作用虽然对超构表面光波操控的简便性与鲁棒性产生了挑战，但其又为实现更为强大的光波操控能力提供了新的机遇。基于此，项目拟在透反射空间内为近场纳米印刷与远场波前操控提供一种新的复用方法，最终利用超构表面进行全空间近远场光波独立操控。为实现该目标，项目拟通过建立超构表面与电磁场相互作用的理论模型，优化得到适合于全空间近远场光波独立操控的最佳微纳结构几何形式；利用超构表面打造全空间近远场光波独立操控器件，探索器件的设计方法及评价体系。项目理论上有望厘清超构表面实现全空间近远场光波独立操控的机理，应用上形成结构紧凑、功能强大的新型平面光学元件，在人机交互及信息安全等领域具有广阔的应用前景。

微纳光学是当前光学学科发展最活跃的前沿之一，其在局域电磁相互作用的基础上可实现许多全新的功能。超构表面(metasurfaces)的出现使微纳光学对光场的调控模式从传统的沿传播方向调控(纵向调控)调整为沿器件表面的调控(横向调控)，解决了传统微纳光学的调控自由度受限的难题。超构表面契合光学元器件的未来发展趋势(微型化、多功能、高集成)，且其蕴含的丰富物理学现象将为微纳光学带来崭新的发展空间。光波入射至超构表面时，由于超构表面对光波具有亚波长量级调控作用，在近场可以形成超高分辨率的纳米印刷图像，在远场可以产生高保真全息图像，且可对图像进行加密，大大提高图像信息安全，在光学防伪、光信息存储等领域具有重要的应用前景。.本项目开展了超构表面微纳结构光波调控机理研究，优化得到可对光波相位、振幅、偏振、光谱进行调控的微纳结构单元，设计并加工出超构表面样片三十余片并进行了实验验证。典型结果包括：近场纳米印刷研究方面，研究了彩色纳米印刷复用方法、单尺寸微纳结构单元的最大设计自由度与信息容量，实现了三通道纳米印刷复用，双色图像、二值灰度图像和连续灰度图像的融合记录；在远场全息研究方面，实现了消零级三维全息、透反射全空间全息显示；在近远场光波同时调控研究方面，提出了纳米结构的转角简并性，实现了基于单尺寸微纳结构的纳米印刷与全息显示融合，进一步提出了双重简并概念，基于单胞元纳米结构实现了两幅纳米印刷图像和一幅远场全息图像融合显示，利用米氏共振原理实现了结构色显示，利用单胞元纳米结构同时存储了一幅彩色图像纳米印刷与一幅单色全息图像。相关成果在Light: Science & Applications、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Letters、Laser & Photonics Reviews等高水平期刊上发表SCI论文30余篇，对加深超构表面光学性质的认知和理解具有重要的学术价值。