宽角宽频高效的波前整形超表面器件研究

Metasurfaces are ultrathin flat structures composed of a single layer of micro/nano resonator array, possessing almost all functionalities of conventional optical bulky components with only an ultrathin layer. Based on metasurfaces, it is promising to realize novel lightweight, integrated micro/nano photonic components that can improve the portability of traditional optical systems including camera and projector. The incident angle range, bandwidth and conversion efficiency of a metasurface are crucial in terms of practical usage. However, it is difficult for previously reported metasurfaces to sustain high conversion efficiency in a simultaneously wide-angle and broad bandwidth range. In this project, we plan to design various functional metasurfaces with wide-angle, broadband and high-efficiency performances, based on the extraordinary optical diffraction in radiation channel-limited nano-gratings. The detailed research works to be carried out are as follows: 1) study the plasmonic metasurfaces based on localized gap plasmon mode, analyze the general theoretical framework and experimental schemes for design of wide-angle, broadband and high-efficiency metasurfaces; 2) study the compound structure by multiple nano-gratings, design wide-angle and high-efficiency achromatic metasurfaces and wavelength-multiplexing metasurfaces; 3) design dynamic tunable metasurfaces with wide-angle, broadband and high-efficiency, based on all-dielectric structures with elastic substrate such as PDMS and electric-tunable graphene micro/nano structures.

超表面是一种由单层微纳共振单元阵列构成的超薄平面结构，却表现出比传统体光学元件更加优越的性能，有望实现新型的轻量级、集成化光子器件，以提高如相机镜头、投影设备等传统光学系统的便携性，因此超表面的研究在近年来备受人们关注。工作角度、频率范围及转换效率是影响超表面器件实用化的重要因素，但目前报道的超表面很难同时在宽角宽频的范围内实现高的转换效率。本项目拟基于辐射通道受限的纳米光栅中局域腔模对衍射效率的增强效应，设计并实现宽角宽频高效的超表面光子器件，开展如下研究工作：1）以基于局域表面等离激元间隙模式的超表面为出发点，分析获得宽角宽频高效波前整形器件的系统理论依据与实现途径；2）通过组合多个纳米光栅，设计实现宽角宽频高效无色差超表面器件；3）利用基于弹性基底的全电介质微纳结构与石墨烯微纳结构设计实现动态可调的高性能超表面器件。通过以上内容的研究，获得设计新型集成化实用型光子器件的有效途径。

超表面是一种由单层微纳共振单元阵列构成的超薄平面结构，却表现出比传统体光学元件更加优越的性能，有望实现新型的轻量级、集成化光子器件，以提高如相机镜头、投影设备等传统光学系统的便携性，因此超表面的研究在近年来备受人们关注。工作角度、频率范围及转换效率是影响超表面器件实用化的重要因素，但目前报道的超表面很难同时在宽角宽频的范围内实现高的转换效率。本项目拟基于辐射通道受限的纳米光栅中局域腔模对衍射效率的增强效应，设计并制备宽角宽频高效的超表面光子器件。研究工作开展顺利，达到任务书研究目标的要求。主要研究内容包括：1）在宽频宽角高效超表面理论方案设计方面，获得了基于局域表面等离激元间隙模式增强光栅衍射的系统理论依据与实验实现途径，找到了多种具体的实现结构，包括金属凹槽结构、金属-电介质-金属结构、全电介质接触式双柱结构等；2）在宽角宽频高效超表面应用器件开发方面，通过组合多个局域间隙表面等离激元模式的复合单元结构，设计实现了宽角宽频高效消色差超表面器件，角度调控型多功能器件、超大角度容忍度超表面全息器件、彩色矢量全息器件等；3）在动态可调超表面研究方面，通过外加电压对石墨烯费米能级的改变，动态调节局域模式共振状态，从而实现对红外及太赫兹波的动态调控，为进一步实现动态波前调控奠定前期基础。通过以上内容的研究，有望获得设计新一代集成化实用型光信息显示、编码、存储及加密器件的有效途径。本项目实施以来，共发表SCI论文13篇，其中项目负责人作为第一/通讯作者的论文9篇，申请发明专利2项，在国内外学术会议上做邀请或口头报告8次。