樹突狀基元團簇的超表面材料

導讀

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可見光將有可能成為下一代通信和信息處理的主要媒介[1,2]。近年來，研究人員試圖通過各種手段操縱光波，交叉極化轉換在可見光操縱中起著重要作用。近日，西北工業大學應用物理系智能材料團隊的趙曉鵬教授和羅春榮教授等人設計的非對稱准周期樹狀超表面模型，實現了線偏振光的偏振轉換，具有廣泛的實際應用前景和發展潛力。其相關工作發表在近期《Scientific Reports》雜誌上。

背 景 介 紹

人工設計的不同結構的超材料具有許多自然界不存在的特性，包括負折射、異常切倫科夫輻射、異常多普勒效應、完美透鏡，超解析度成像、隱形和電磁波偏振旋轉等。這些特性吸引了越來越多的研究人員研究超材料在微波、紅外和可見光波段的實際應用[3]。作為二維超材料，超表面（metasurface）保持了其三維對應物在控制電磁波行為的特性，同時減少了製造中的困難；理論上，超表面材料的厚度遠遠小於工作波長，更有利於光學元件的小型化和集成。現在可以通過設計超薄超表面，使傳播光進入異常折射通道，賦予相位不連續性從而服從廣義斯涅爾定律。

創 新 及 結 論

採用不對稱結構的超表面可以實現線偏振光的偏振轉換。基於此，趙曉鵬教授等人設計了一個由非對稱樹突狀基元組成的准周期樹突狀超表面模型。模擬結果表明，運用非對稱樹突狀結構可以實現可見光線偏振波在偏振方向上的垂直旋轉。研究人員通過自底向上的電化學沉積得到樹突狀基元團簇表面，實驗證明，它們可以實現可見光的交叉極化轉換，並且交叉極化的傳播光具有異常折射通道。非對稱准周期結構的樹狀基元團簇表面對交叉極化轉換的研究意義重大，具有廣泛的實際應用前景和發展潛力。

圖 文 速 覽

圖一樹狀結構和數值模擬

（a）垂直穿過樹突狀基元團簇表面的線性極化平面波的示意圖。

（b）三種類型的樹突狀基元及其傳播的電場分布的示意圖。

（c）包含三種類型樹突結構的樹突基元的示意圖。樹突狀基元團簇表面的傳播電場。

（d）樹突狀基元團簇表面的透射光譜。

圖二樹突狀表面樣品表徵分析

（a）部分銀樹狀基元團簇表面的SEM照片。刻度標籤是500nm。

（b）四個樹突狀基元團簇表面樣品的透射譜。

圖三測量實驗設置

圖四共偏振和交叉偏振透射的實驗結果

（a）s1在550nm，（b）s2在570nm，（c）s3在590nm和（d）s4在620nm（可視化1）的共偏振和交叉偏振透射的實驗結果。（e）s4的轉換效率與波長的函數關係。

Reference

[1]Lee, Y. U. & Kavehrad, M. Long-range indoor hybrid localization system design with visible light communications and wireless network. IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting Series, 82-83 (2012).

[2]Masaki, Y., Shinichiro, H. & Masao, N. High-accuracy positioning system using visible LED lights and image sensor. IEEE Radio and Wireless Symposium, 439–442 (2008).

[3]Gong, B. et al. A visible metamaterial fabricated by self-assembly method. Scientifc Reports 4, 4713 (2014).

作者：方 軻

審核：顏學俊

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