Annalen der Physik-可見光段介質超表面器件製備新突破

傳統光學器件的尺寸很大，嚴重限制了其在集成和小型系統中的應用，近年來在納米光子學領域，超表面器件解決了這個問題。超表面是一種亞波長量級的結構陣列，能夠實現光波前的調控，在微波、遠、中和近紅外波段都產生了很大的作用。目前為止，在實驗上觀測到了很多奇異的現象，例如異常反射（透射），平板透鏡以及計算全息等等，但是這些研究在可見光波段遇到了很大的挑戰。在可見光波段，無論是等離子體超表面還是硅基超表面都存在著材料損耗，它們的應用都受到了很大的限制。

研究人員普遍認為採用透明介質材料替代硅或者金屬材料是提高效率的一種有效方法，但是這種想法在很長時間內被阻礙在技術實現上。相比於硅，可見光波段的透明材料通常只有較低的折射率，需要用較大的厚度來實現到2π的相位變換。考慮到其在平面內納米尺度的幾何結構，這類超表面的高寬比通常大於10，很難進行製備。因此，找到一種更高效的方法來降低薄膜厚度並且在可見光段實現寬頻高效光的相位控制非常的有意義。

最近，哈爾濱工業大學肖淑敏課題組通過實驗，在銀基底上製備了高寬比只有1-1.5的二氧化鈦超表面結構，利用其電磁諧振的性質，實現了可見光波段對正交偏振反射光-π到π的高效率全相位控制，相比之前研究中>10的高寬比有了很大改善，極大地降低了可見光段介質超表面器件的製備難度。此外還通過設計實現了異常反射和寬頻全息投影的應用，對紅光（632nm）、綠光（520 nm）以及藍光（445nm）在遠場實現了全息投影，分別達到了36.7%、24.5%和13.9%的衍射效率，甚至在400 nm波長也有很好的效果。該高效全介質超表面的研究未來有望應用於大視場全三維顯示、虛擬現實等領域，促進可穿戴顯示技術的發展。

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