高效调控大角度范围入射光场超表面的物理基础、条件及应用

To study the control of metasurfaces over light field is of great interest for searching for new physics, new phenomena, and new applications of interaction between light and planar microstructures. However, how to high efficiently control the incident light field in broadband and without chromatic aberration in wide range of angle, what is the physical mechanism and there are any limitations involved in the controlling, are currently key scientific problems to solve urgently. In this project, by analytically studying the dependence of excitation of local plasmonic modes in the grooves of rectangular metal grating-constructed metasurfaces on geometric parameters, incident angle, and diffraction characteristics of light, we will study the mechanism of metasurfaces in controlling light field with the above properties, know well the parameters range of constructing such metasurfaces, and search for their applications. Based upon numerical simulations such as FDTD method and fabrication technologies as e-beam lithography etc., we expect to demonstrate two kinds of metasurfaces in the visible: One is with 200nm band and higher than 90% efficiency as the incident light is from 30 to 70 degrees, the other is with chromatic aberration-free at three primary colors and over 50% total efficiency in the range of 10-80 degree angle, and then confirm their applications in producing focusing beam, vector beam, vortex light field, and achromatic reflection and focusing beams etc. The accomplishment of the project will further improve our knowledge on the physical mechanism of metasurfaces in controlling optical field, let us know well the parameter requirements of designing various metasurfaces, and establish solid foundation for applications of metasurfaces in wide fields such as optical imaging and panorama display etc.

研究超表面对光场的调控，对探索光与平面微结构相互作用的新物理、新效应和新应用具有重要意义。但如何对大角度范围的入射光实现宽频段和消色差高效率调控？其中包含的物理机制是什么？有什么限制条件？是目前急需解决的关键科学问题。本项目拟通过解析矩形金属光栅超表面沟槽中表面等离激元的局域模式与结构参数、入射角度、衍射特性的依赖关系，研究具有上述调控特性的超表面的物理机制，结构参数的选择范围及应用。利用FDTD等数值方法和电子束刻蚀等微纳加工技术，验证可见光波段的照明光在30-70度入射角范围、200nm带宽、具有90%以上衍射效率，以及10-80度入射角范围、三原色光无色差、整体效率50%以上的两种超表面及其在矢量、涡旋光场产生和无色差反射与聚焦等方面的应用。项目的完成，为进一步提高我们对超表面调控光场的物理机制的认识，掌握不同超表面的设计条件，拓展超表面在光学成像、全景显示等领域的广泛实用奠定基础。

超表面为平面光学的真正实现提供了革命性的方案，因而入选Science年度十大科技突破，也被誉为未来全球十大颠覆性技术之一。但常规的相位梯度超表面器件对特定入射光波长的入射方向有严格的限制，因而不具备宽频段、大角度容忍度的特点。本项目在大角度、宽频段、高效率、消色差等多种超表面结构的物理机制、结构设计、加工制备、性能检测方面开展了较为系统深入的理论和实验研究。通过提出少级衍射光调控新原理，设计多种单、双原子结构超表面新结构，实现了能有效抑制零级和特定一级衍射光、具有完美输出效率（～100%效率）、大角度容忍度（30º—70º，部分接近180°入射范围）、宽频段（～250 nm）消色差准直/聚焦、定向反射器件和透射式全息显示器件等多种超表面光学元器件。此外，对等离激元超表面纳米结构因光吸收产生的热效应的有效利用、商用软件FDTD性能的提高等方面也进行了有宜的探索。发现基于表面等离激元超表面的人工原子因光照射可以产生超高频（>50GHz）声学振动，并通过声学调控工程，将人工原子中声学振动的寿命提高了20倍以上，首次在室温下观察到超高频声子振动的超强耦合，并应用于细胞粘度检测等高灵敏生化传感。同时，针对现有商用FDTD仿真软件处理多尺度结构的数值计算时，面临计算机时、计算精度和数值稳定性等问题，设计出一款基于数字信号处理和系统框架矩阵技术的无条件稳定算法，实现了计算效率和精度的大幅度提高。发表论文50篇。部分成果被美欧及中国科学院/工程院院士、哈佛/斯坦福教授等在Science、Phys. Rev. X等上评价为“开拓性工作”、“具有重要意义”。单篇最高他引超过90次，1篇ESI高被引论文。