蒋春萍团队在光学超构表面及其动态调控方面取得研究进展

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随着新兴光学技术对微型化、一体化、智能化光学系统的需求与日俱增，大大促进了纳米光电子学的迅猛发展。光学超构表面是一种由亚波长结构单元按一定的排列方式组成的人工二维结构，为光场调控及光信息处理提供了一种全新的研究方式。其最大的优点是轻薄和易于集成。然而，这些亚波长结构单元一旦制备完成，便很难再改变其形貌或者尺寸，因而无法对其光学性能进行有效的动态调控，从而限制了其功能及应用范围的进一步拓展。近年来，科学家们探索了实现光学超构表面性能实时调控的多种途径，其中最引人注目的是将智能材料与光学超构表面相结合。中科院苏州纳米所蒋春萍研究员团队与其他团队合作，在光学超构表面及其动态调控技术研究方面取得多项进展。
　　在静态全介质超构表面方面，中科院苏州纳米所蒋春萍研究员团队联合所内测试平台王淼博士以及中科院上海光机所胡敬佩副研究员，报道了一种非传统的光学稀疏孔径超构透镜，如图1所示。结合图像重建相关算法，该稀疏孔径超构透镜仅利用了41%的加工面积，便获得了与具有0.72mm孔径的传统全孔径超构透镜相媲美的成像能力，大大降低了制作成本。此外，该全介质非传统光学稀疏孔径超构透镜在632.8nm光照下衍射极限分辨率为11.36μm，而且在任何偏振态的入射光下都可以实现相对较高的聚焦效率（>50%）。该研究成果的通讯作者为蒋春萍研究员、王淼博士以及胡敬佩副研究员，第一作者为苏州纳米所特别研究助理林雨博士，该工作以High‐Efficiency Optical Sparse Aperture Metalens Based on GaN Nanobrick Array为题发表于Advanced Optical Materials, 2102756, 2022。

　　图1. (a) 稀疏孔径超构透镜结构示意图；(b) 光学平面照片，SEM平面图和截面图；(c) 聚焦成像性能测试光路图；(d) 器件实验测试结果

　　在动态可调谐超构表面方面，蒋春萍研究员团队分别与山东大学宋爱民教授、清华大学杨帆教授以及南京大学王漱明副教授团队合作，开展了智能材料PEDOT:PSS与光学超构表面相集成的电调控光学特性研究，取得系列进展：
　　团队成员用电化学测试与光学测试相结合的方法对有机电化学聚合物材料PEDOT:PSS的电调控光学介电特性进行了详细研究。首先使用旋涂法在惰性金属电极上制备了均匀致密的PEDOT:PSS薄膜，然后在含有钠离子的电化学池中对其进行梯度氧化和还原反应，并采用计时电流法研究了其电化学特性(图2(a))。电化学实验结果显示，不同的工作电压可使PEDOT:PSS薄膜处于不同的反应状态(图2(b))。然后利用PEDOT:PSS薄膜特有的双稳态性质，通过椭偏仪研究了不同反应状态下的PEDOT:PSS薄膜在整个可见光波段(400 – 800 nm)的光学介电特性(图2(c))，从而获得了该薄膜在不同反应状态下的折射率和消光系数(图2(d))。该研究成果的通讯作者为蒋春萍研究员，第一作者为林雨博士，博士研究生赵永旻也做了相应贡献，该工作以Electrical control of the optical dielectric properties of PEDOT:PSS thin films为题发表于Optical Materials, vol.108, 2020。

　　图2. (a) 电化学测试示意图；(b) PEDOT:PSS薄膜材料在不同工作电压下的还原反应程度实验结果图；(c) 光学测试示意图；(d) PEDOT:PSS薄膜材料在不同还原反应程度下的折射率和消光系数曲线图

　　利用上述智能材料，团队成员设计并制备了一种应用于可见光波段聚焦能量可调谐的超构透镜，如图3所示。通过将PEDOT:PSS和金属纳米天线结构相结合，研究了超构透镜的电调控聚焦性能。发现该可调谐超构透镜可以有效的对入射光进行聚焦，并且通过施加较小的工作电压(<2.5V)就可对其聚焦能量进行实时动态调控，调制深度可超过90%。该调控过程是完全可逆的，而且不会影响超构透镜的其他聚焦性能（焦距、焦点位置、聚焦模式均保持不变）。该研究成果的通讯作者为蒋春萍研究员和杨帆教授，第一作者为林雨博士，以Tunable electrochromic Au nanorod-based metalenses for visible light为题发表于Optics Express, Vol. 29, No. 26, 2021。

　　图3. (a) 可调谐超构透镜结构示意图；(b) 涂覆有PEDOT:PSS的超构透镜的SEM平面图和截面图；(c) 器件测试光路图；(d) 聚焦能量可调谐超构透镜实验结果图

　　团队成员还将该智能材料与氧化铟锡(ITO)波导光栅相结合，基于导模共振效应，设计并制备了一种新型柔性全彩显示器件。通过外加电压调控ITO波导光栅阵列周围的PEDOT:PSS材料的光学介电特性，由此实现彩色动态显示效果（图4(a)-(c)）。该器件可以同时显示红、橙、黄、绿、青、蓝等不同颜色，而且色域值大于70% NTSC，色彩纯度（反射峰半高宽）为25nm ~35nm，调制深度可以达到78%-90%。该过程完全可逆,且具有良好的循环特性，响应时间小于1.3s，平均功耗低于3.28 mW/cm2。该研究成果的通讯作者为蒋春萍研究员、宋爱民教授以及王漱明副教授，第一作者为林雨博士，该工作以Electrically Switchable and Flexible Color Displays Based on All Dielectric Nanogratings为题发表于ACS Applied Nano Materials, vol. 4, 2021。

　　图4. (a) 器件设计与仿真；(b) 器件实物图和SEM截面图；(c) 器件全彩显示性能测试

　　上述工作得到了江苏省重点研发计划项目，江苏省自然科学基金青年基金项目和其他横向项目的资助，同时也得到了中科院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）、加工平台和测试平台的支持。
       文章来源：苏州纳米所
       蒋春萍  博士，中科院“百人计划”研究员，博士生导师。2002年在中科院上海技术物理研究所获理学博士学位；2002年至2004年间为中科院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室博士后，从事半导体自旋电子学方面的研究；2004年进入德国马普固体所Klaus von Klitzing教授（1985年整数量子霍尔效应诺贝尔物理奖获得者）研究组，从事基于低维等离子体调控的新型室温太赫兹波发射源及探测器的研究。2008年8月，加入中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所。2009年入选苏州市紧缺人才，2011年入选江苏省第四期“333高层次人才工程”，2012年获中科院百人计划择优。在APL、PRL、Small等期刊上发表SCI论文50多篇，申请专利20余项。主持/参与国家重点基础研究发展计划（973计划）、中国科学院科研装备研制项目、江苏省333工程项目等多项科研课题。