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COL Highlight (Vol. 22, Iss. 12): 主编推荐 | 铌酸锂薄膜助力超表面实现电控聚焦

阅读:1299时间:2025-2-17 16:19:01

主编推荐 | 铌酸锂薄膜助力超表面实现电控聚焦

 

Chinese Optics Letters 2024年第12期Editors’ Pick:

 

Haoyu Wang, Zhancheng Li, Wenwei Liu, Yuebian Zhang, Hua Cheng, Shuqi Chen, "Electrically controlled light focusing by a tunable metasurface using thin film lithium niobate," Chin. Opt. Lett. 22, 123601 (2024)

 

背景导读

 

超透镜具有小型化、轻量化和易于集成等特点,能够在聚焦光场的同时、实现对光场多个维度的高自由度调控,是微纳光学系统中替代传统透镜的理想选择,在亚波长分辨率成像、虚拟现实、光信息和光场探测等领域具有重要应用价值。实现对光聚焦的动态操控是目前超透镜研究领域面临的重要科学问题之一。已有研究表明:通过在超表面设计中引入机械式可伸缩基底、并采用双层透镜组设计,或在超表面设计中加入相变材料等光学性质可动态调控的材料,能够实现对光聚焦的动态调控。然而,如何有效提高超透镜光聚焦的调制深度和速度仍有待进一步研究。

 

铌酸锂 (lithium niobate,LN) 因其宽广的透明窗口、高折射率、较大的电光系数以及良好的化学和机械稳定性、而成为实现集成光子器件的极佳选择。因其能够以极高的速度 (100 GHz) 实现折射率调控,已被广泛用于片上超快电光调制器。最新研究证明:通过将铌酸锂薄膜 (thin film lithium niobate, TFLN) 集成到超表面设计中,能够实现对自由空间光场相位和振幅的动态操控,为光开关和可重构波前控制提供了新的有力手段。研究基于铌酸锂薄膜复合超表面设计实现对光聚焦动态调控的有效方法对达到光聚焦的高速调控具有积极意义。

 

研究内容及结果

 

基于以上研究背景,南开大学陈树琪教授研究团队提出了一种基于铌酸锂薄膜的电控超表面。该超表面具有高品因子的导模共振,其共振波长可以利用铌酸锂薄膜的Pockels效应通过外加电压的方式进行调控。利用此特性,该超表面在给定工作波长下的透射率可以通过电控进行高对比度调控。因而,可以通过超表面调控透射光强的空间分布实现一维光聚焦,并且可以通过改变外加电压的空间分布改变焦点的横向或纵向位置。相关成果发表在Chinese Optics Letters 2024年第22卷第12期。

 

图一 基于铌酸锂薄膜的电控超表面实现透射率调控和光聚焦。(a) 基于铌酸锂薄膜的电控超表面示意图。(b) 利用铌酸锂电光效应实现透射率调控。(c)通过调制空域透射率分布实现可重构光聚焦。

 

团队设计的超表面高品质因子导模的共振波长可以通过电调制,其调制速率为0.089 nm/V。如图一所示,通过改变施加的电压从-6 V到+8 V,可以在给定工作波长λ0 = 829.10 nm处实现透射率的高消光比,其值为21.3 dB。通过设计由1000个基本结构单元排列而成的超表面阵列,应用不同电压以空间调制导模共振,模拟演示了一种可重构的一维菲涅尔透镜,其聚焦效率约为15%,具有可调的纵向焦点位置,调焦范围约为4800倍工作波长,并且可调的横向位移为超表面宽度的50%。

 

该研究工作揭示了基于铌酸锂薄膜的电控超表面中具有高品质因子的光谐振模式、在实现电控光聚焦方面具有巨大潜力。受限于电极设计和非局域共振对结构周期的鲁棒性,论文研究只讨论了一维情况下光聚焦的动态控制,二维情况下光聚焦的多维度高效调控及相关实验研究仍有待进一步开展。