中科院物理所在雙層光學(xué)超表面相關(guān)研究中取得進(jìn)展
非對(duì)稱輻射是電磁波在微納尺度亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)（如光子晶體、超表面等）中相反傳播方向上表現(xiàn)出的振幅和相位差異性，通過(guò)打破光學(xué)超表面空間對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)的非對(duì)稱輻射因其豐富的物理內(nèi)涵和在微納光學(xué)器件中的廣闊前景而備受關(guān)注。然而，通常光學(xué)超表面實(shí)現(xiàn)的非對(duì)稱輻射表現(xiàn)為器件兩側(cè)的輻射差異，而受限于納米結(jié)構(gòu)的空間可控性，在超表面同一側(cè)實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱輻射仍頗具挑戰(zhàn)性，亟需系統(tǒng)的機(jī)制探討和創(chuàng)新的調(diào)制策略，推動(dòng)非對(duì)稱輻射在微納光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。 !MQVtn^C#
中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心微加工實(shí)驗(yàn)室李俊杰團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期聚焦于微納光子學(xué)器件加工、設(shè)計(jì)及功能集成方面的研究，并在主動(dòng)調(diào)控超透鏡（Nat. Commu. 2023）、可編碼光子路由超表面(Aad. Funct. Mater. 2024)、內(nèi)稟雙折射手性超表面(Phy. Rev. Lett. 2025)等方面取得重要進(jìn)展。最近，該團(tuán)隊(duì)在雙層超表面的設(shè)計(jì)和可控加工上開(kāi)展研究，利用對(duì)準(zhǔn)套刻工藝獲得了層間距、層間偏移等雙層結(jié)構(gòu)的特征結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確控制，為實(shí)現(xiàn)單側(cè)非對(duì)稱輻射的超表面奠定了基礎(chǔ)。 +~eybm;
基于雙層納米結(jié)構(gòu)的套刻加工工藝，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并加工了一種兩層結(jié)構(gòu)完全相同的雙層超表面，每層結(jié)構(gòu)均由二氧化鈦納米圓盤(pán)按照六方晶格排列構(gòu)成，每層結(jié)構(gòu)都具有面內(nèi)C2對(duì)稱性（圖a）。理論分析表明，通過(guò)偏移同時(shí)打破雙層超表面的面外鏡面對(duì)稱性和面內(nèi)C2對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)對(duì)于動(dòng)量空間中遠(yuǎn)場(chǎng)偏振態(tài)的調(diào)控，面內(nèi)波矢k||和-k||在動(dòng)量空間從相同的遠(yuǎn)場(chǎng)偏振態(tài)（圖b）變?yōu)椴煌▓Dc），表現(xiàn)為位于雙層超表面同側(cè)，相反角度入射時(shí)的光輻射差異，即單側(cè)非對(duì)稱輻射。制備的雙層超表面樣品（圖d），在角分辨微區(qū)光譜儀測(cè)試中成功觀察到單側(cè)非對(duì)稱輻射現(xiàn)象（圖e）。定義相反角度入射時(shí)的透射率差為單側(cè)非對(duì)稱輻射強(qiáng)度，進(jìn)一步分析了單側(cè)非對(duì)稱輻射強(qiáng)度隨偏移量（圖f）和入射角度（圖g）的變化趨勢(shì)。在x方向偏移量為0.4μm，入射角度為±10°時(shí)，獲得最大單側(cè)非對(duì)稱輻射強(qiáng)度為0.1。團(tuán)隊(duì)所提出的單側(cè)非對(duì)稱輻射機(jī)制，本質(zhì)上是通過(guò)打破對(duì)稱性，調(diào)控其遠(yuǎn)場(chǎng)偏振態(tài)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)角度光輻射的差異，是對(duì)非對(duì)稱輻射類型和調(diào)控方法的重要補(bǔ)充，有助于一系列納米光學(xué)器件如單向激光發(fā)射器的設(shè)計(jì)。 pX]"^f1?O
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圖.a 超表面單元結(jié)構(gòu)的構(gòu)型和對(duì)稱性示意圖；b 完全對(duì)齊時(shí)樣品的對(duì)稱遠(yuǎn)場(chǎng)極化分布；c 偏移量為0.4μm樣品的非對(duì)稱遠(yuǎn)場(chǎng)極化分布；d 偏移量為0.4μm樣品的掃描電子顯微鏡圖，比例尺：1µm；e 偏移量為0.4μm樣品的角分辨透射光譜；f 非對(duì)稱輻射強(qiáng)度隨偏移量的變化；g 非對(duì)稱輻射強(qiáng)度隨入射角的變化；h 文章封面圖。 ?qR11A};tG
該工作以“Unilateral Asymmetric Radiation in Bilayer Metasurfaces”為題，于2025年4月24日發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上，并被選為Inside Front Cover（圖h）。微加工實(shí)驗(yàn)室碩士生譚俊豪為第一作者，李俊杰研究員、潘如豪和王博副研究員為共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃和北京市科技計(jì)劃等項(xiàng)目及懷柔綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置的支持。 l[M?"<Ot;
全文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202501156 DI7g- h8`
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