徐挺课题组在超表面偏振光学领域取得新进展

batian

近日，南京大学现代工程与应用科学学院徐挺教授课题组在超表面偏振光学研究方面取得重要进展，首次建立了一对任意正交的偏振态与两种不同振幅之间的映射关系，相关成果以“Independent Amplitude Control of Arbitrary Orthogonal States of Polarization via Dielectric Metasurfaces”为题发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters 125, 267402 (2020), DOI : doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.267402)。
       光学超表面属于超材料的一种，是由许多亚波长纳米结构单元组成的二维功能性平面阵列结构。通过设计纳米单元结构，超表面有能力修改入射光波的波前、偏振方向，散射角以及强度分布等。它与传统光学器件相比，其中一个最吸引人们的属性是其可以同时完成多通道的独立波前编码。因此，许多研究团队都致力于研究光波不同要素之间的关系，如建立偏振与相位之间的关系可以拓展超表面的自由度，实现手性全息、手性超透镜、加速光束的控制等多功能器件。振幅是光波的基本要素之一，而关于偏振与振幅的关系尚未完全建立。  

超表面偏振光学

图1 独立振幅操控的概念示意图

      徐挺教授研究团队提出了一类新颖的超表面偏振光学器件，即一对任意的正交偏振态可以独立的操控两种不同的振幅（图1）。该研究通过构建亚微米的超分子干涉系统，并引入传播相位（Propagation phase）和几何相位（Geometric phase）两种波前调制机制，分析了入射的偏振光与超分子系统的相互作用关系，进而得到超分子系统所需要满足的琼斯矩阵。在该系统中，相位的操控扮演着重要的角色，它作为一座桥梁建立起了偏振与振幅的关系。根据该原理，论文详细证明了基于单层超表面阵列的二色性器件，包括线偏振态、圆偏振态以及椭圆偏振态（图2）。同时，论文还证明了一类新颖的光学器件，包括可切换的灰度超表面以及结构光的阴影渲染（图3）。该工作拓展了超表面偏振光学的范畴，建立了偏振与振幅之间的关系，为多功能光子集成打开了一条新路径。

超表面偏振光学

图2.正交偏振态的二色性

超表面偏振光学

图3.手性结构光的阴影渲染

       南京大学现代工程与应用科学学院16级博士生范庆斌（现为电子学院副研究员）、17级博士生刘明泽为该项工作的共同第一作者，徐挺教授为论文的通信作者，南京大学为论文第一单位，合作单位包括华中科技大学以及美国国家标准技术研究院。本工作得到了现工院陆延青教授和电子学院闫锋教授的精心指导，并得到了包括科技部重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省双创团队等项目资助，以及人工微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理国家重点实验室等平台的大力支持。


       文章来源：南京大学
       徐挺，南京大学现代工程与应用科学学院教授，博士生导师。中科院-密歇根大学联合培养博士。2011年-2015年在美国国家标准技术研究院（NIST）担任研究员工作，2014年起兼任马里兰大学助理教授。2011年获得中科院院长奖，2012年获得中科院百篇优秀博士论文。主要涉及微纳光子学基础及应用、人工电磁结构材料及先进微纳加工技术。首次提出并实验验证了紫外光频段光学负折射人工材料。工作发表后被人工电磁结构材料研究先驱，英国帝国理工学院教授John Pendry爵士称之为“近些年来人工电磁结构材料研究方面的一个重要进展，对于将来提升纳米光刻加工技术等应用有着深远的影响”。此项研究成果入选了由英国大不列颠百科评选的2013年全球物理学年度进展。至今在国际知名学术刊物包括Nature(1篇)，Nature Photonics、Nature Communications等子刊（4篇），Advanced Materials， ACS Nano等上发表过重要论文近30篇，被引用2000余次。其中多项工作被选为研究亮点被包括Nature Photonics， Nature Physics，BBC News，Materials Today，MIT Technology Review，Science Daily， Laser Focus World等科研媒体报道。主持国家自然科学基金面上项目2项，作为主要合作者参与科技部重点研发项目等项目多项。