能精确控制光的可重构超表面

大部分与电磁超表面、超材料相关的研究，都将关注点放在了静态结构上。然而目前，越来越多的科学家和工程师们开始将目光转向动态超表面，即可以通过施加电压、形变、加热或其他外部变化改变光学特性的超表面（参见Tunable metasurfaces，OPN, 2021年7/ 8月）。近日，中国的一组研究团队成功设计出了一种动态、超薄、可控的超表面，能在纳米级实现对光的精准控制（文章见：Optics Express, doi:10.1364/OE.434321）。

图1 图为研究人员所设计的一种螺旋结构的可重构二维超表面，可在电压驱动下产生形变；其中每个螺旋单元可作为一个像素独立操控

剪纸是一种借助折叠和剪裁，在类似纸张的表面上留下各种图案的艺术。北京理工大学的研究者们借助一种“纳米剪纸”技术，开发了一种超薄、刻有图案的金+硅衬底的结构，可在电磁作用下控制结构中单个像素。研究人员预计，这类光学元件有望应用到3D显示、数据存储系统和数字光投影仪等应用中。

从“艺术”到“技术”

北京理工大学李家方教授领导的团队表示，折纸和剪纸两种艺术已经被用于基于石墨烯、聚合物材料的各类新颖三维纳米结构加工中。目前已有技术可使用气动或机械手段控制超表面发生形变，但仍尚未实现纯电磁手段控制单个像素。

李家方教授及其同事首先制造出了一种薄的、带有图案的纳米薄膜，微图案中每个单元包含两个阿基米德螺旋结构，单元间距为2微米。研究人员使用电子束光刻、离子束蚀刻和湿蚀刻技术将这些2D螺旋图案刻蚀到了60纳米厚的金薄膜上。之后，研究小组将金薄膜放置在硅衬底上，中间使用400纳米高的二氧化硅柱将两层膜分开。施加电压后，设备螺旋像素发生形变，形变最大可达平面外高度230纳米。

实验验证

为了测试该设备，北京理工大学的科学家们在两种不同的场景中进行了测试。一：通过对设备施加单一电压，研究人员生成了一个螺旋型风车全息图；二：对晶格中的每个像素施加不同的电压，研究人员生成了风车、笑脸和五角星。

研究团队指出，其测试中使用的超表面只有32×32像素。下一步，研究人员计划使用更多像素进行测试，以增加图像细节。此外，根据研究人员的说法，将这种可重构的超表面与部分OLED显示器中使用的相同类型的多线寻址方法相结合，将进一步提高设备控制光线的能力。