波前整形和量子光学中的全电介质超构表面

李传林

2020-08-17

第一作者：李传林

通讯作者：余鹏、王志明

通讯单位：电子科技大学

核心内容：

1. 回顾了全电介质超构表面的发展历史。

2. 阐述了其通过引入相位突变实现广义斯涅尔定律和非自然衍射等光物质相互作用的物理机制。

3. 总结了全电介质超构表面的制备方法和应用。

研究背景

超构表面是亚波长厚度的具有纳米图案的人工材料。通过设计超构表面的材料成分、内部和外部的谐振、尺寸以及工作环境，可以获得想要的有效折射率分布和光谱特征。近年来，全电介质超构表面作为一个重要分支，因其在光学频率域的低损耗和损坏阈值高等优良性质，得到了众多科学家的关注和研究，并在波前整形和量子光学中获得了广泛应用。

综述简介

日前，电子科技大学王志明教授课题组及其合作者回顾了近几年波前整形和量子光学中的全电介质超构表面的发展。2020年6月28日，论文在线发表在期刊《Progress in Surface Science》上。

在这篇综述中，作者们回顾了全电介质超构表面的发展历史；阐述了其通过引入相位突变实现广义斯涅尔定律和非自然衍射等光物质相互作用的物理机制；仔细地总结了全电介质超构表面的制备方法，包括自组装法、选择性光刻蚀法、激光辅助光刻法、聚焦离子束铣法和纳米压印光刻法等；系统地讨论了全电介质超构表面在结构彩色打印、全息成像、太赫兹成像、计算成像、超透镜、平面反光镜、平面光传感和飞秒脉冲整形等波前整形应用，以及涡旋源发生、量子纠缠、干涉和态重建、高阶谐波产生和混频、加强光激发和连续体中的束缚态等量子光学应用。最后，作者们给出了全电介质超表面值得在多个方向深入拓展研究的建议：

双层扭曲结构；

与二维材料结合；

光物质强耦合作用；

电介质-金属混合结构；

先进仿真模拟优化算法。

图1. 全电介质超构表面的制备方法及应用的发展史。

要点1：综述简要地阐述了全电介质超构表面的光物质相互作用的物理机制。

根据费马定理和动量守恒定律，超表面的折射和反射现象遵循广义斯涅尔定律。即正相位梯度和负相位梯度，提供了任意方向的反射和折射，同时可以指定衍射方向。电介质纳米结构产生的米散射，同时激发了电偶极子和磁偶极子以及高阶极子，这是全电介质超构表面在线性和非线性光学中工作的基础物理机制。

 图2. 超构表面光物质相互作用：非自然的反射、折射和衍射。

要点2：综述全面地总结了全电介质超构表面的制备方法。

多种全电介质超构表面的制备方法各有优劣，体现在经济成本、产量、时间成本、单元结构纵横比、可实现的几何结构和分辨率等方面。利用光刻技术的自上而下的制备方法可以实现高空间分辨率和高重复率，而自下而上的制备方法，具有大尺度和简易的特征。

表1. 全电介质超构表面各制备方法的参数比较。

要点3：综述系统地讨论了全电介质超构表面在波前整形和量子光学中的应用。

基于全电介质超构表面的结构彩色打印，具有窄线宽的反射光谱、高效率和高饱和度等优良特征。未来可以加强透射滤镜和动态调控研究。同时在材料选择时，要兼顾与先进集成电路的兼容性和产生颜色的品质。

仅基于相位的全息成像、复振幅全息成像和多色像素全息成像使得全电介质全息成像技术的空间体积大大减小。尤其是，偏振敏感型全息成像为信息编码提供了更多的独立通道。未来可以结合金属氧化物加强可见光波段的高效率和高分辨率的全息成像研究，同时要发展多自由度调控和多功能的全息成像技术。对于后者，可以综合考虑空间分辨率和光谱分辨率，实现全息彩色打印。

表2. 全电介质全息成像的关键参数比较。 

全电介质超构表面为太赫兹成像提供了新方案，避免了高功率源和高响应性能探测器等对直接太赫兹成像的要求。未来可以强宽带宽和可调谐研究。

信噪比高和混色效应低是基于全电介质超构表面的计算成像的主要优点。未来可以加强宽波段和无色差研究，同时考虑计算软件和光学硬件一体化协同作用。

近年来，全电介质超透镜在消色差、可调谐、宽带、高聚焦效率和大数值孔径等方面取得一系列进展。其在移动相机、虚拟和增强现实以及显微镜等方面具有重要应用前景。未来可以加强研究宽带消色差和提高材料的平整度和纯度。

表3. 全电介质超透镜关键参数的比较。

平面反射镜和调制器结合，可以满足光通信和远程传感的需要。基于全电介质超构表面，高效率的正入射平面反射镜被实现。未来可以加强斜入射条件下的研究。

高响应速度、高灵敏度、高品质因数、选择性、无标签分析和低成本等优点，使得全电介质平面传感器在食品安全、生物化学、空气质量检测和控制等方面受到广泛关注。未来可以加强研究可见光和紫外波段的平面光传感。

基于全电介质超构表面，实现了飞秒光脉冲的分裂、压缩和拉伸。未来可以加强其在超快现象和高速光通信上的研究。

涡旋源携带轨道角动量，提供了量子信息处理高维协议需要的多自由度。尤其是，J-盘能够同时携带自旋角动量和轨道角动量，即产生全角动量态。级联的J-盘，通过偏振控制，可以实现分立的全角动量态和全角动量叠加态。未来可以加强提高多级级联后透射率和效率的研究。

稳定和可扩展的量子态层析、准确的量子态重建以及量子干涉和纠缠等先后被在全电介质超构表面上实现，在量子计算和量子通讯领域具有广阔应用前景。未来可以加强研究单个超构表面在经典光源激发产生纠缠源以及高维量子态的产生。

近年来，全电介质超构表面在非线性光学领域引起了重视，其在高次谐波和混频产生上具有诸多优点。一是，具有高电磁致透明和高损坏阈值。二是，在时域和频域上均可调控。三是，具有向阿秒光子学发展的潜力。未来可以考虑将光分束和混频功能集成在一个超构表面上，实现宣布式量子光源。

表4. 高次谐波产生的性能参数比较。

将全电介质超构表面和量子发射器结合，可以增强光致发光的强度和修改偏振依赖性。未来可以加强研究延长相干时间。

小结

有源光子长期存在一个矛盾，即高速和低能耗。连续体中的束缚态为此，提供了一个解决方案。近年来，基于全电介质超构表面的自旋霍尔效应、高阶谐波产生以及全角动量态产生受到科学家们的关注和研究。未来可以加强研究基于连续体中的束缚态的片上量子光源。

这项工作得到了国家重点研发项目基金（2019YFB2203400）、“111”引智计划基金（B20030）、电子科技大学共享电磁波和物质作用研究设施基金（Y0301901290100201）等的支持。此外，余鹏博士获得国家博后科学基金（2019M663467）和四川省科技自由研究项目基金（20YYJC3609）等的资助。

参考文献

ChuanlinLi, et al. Dielectric metasurfaces: From wavefront shaping to quantum platforms. Progress in Surface Science.

DOI: 10.1016/j.progsurf.2020.100584

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079681620300137