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让光学新材料的梦想照进现实——南京大学物理学院王漱明副教授

2021-09-16

 

超构材料是由周期性排列的微纳基元结构组成的人工材料,其基元结构尺寸远小于工作波长。超构材料的特殊光学性质不仅仅源于其材料本身,还可以通过调控其形状、尺寸、方向以及排列方式等自由度,实现操纵电磁波的功能。可以被用于制造理想透镜(超级透镜),该透镜允许光学成像的分辨率低于衍射极限。通过阻挡、吸收、增强或弯曲光线,超构材料能够实现传统材料所不能提供的光学功能,其潜在应用多种多样,包括滤光片、医疗设备、远程航空应用、传感器检测和基础设施监控、智能太阳能管理、天线罩、高增益天线的透镜等。
超构表面是一种具有亚波长厚度的人造片状材料,是超构材料的二维对应物。超构表面可以是周期性结构,也可以是非周期性结构。在电磁理论中,超构表面通过特定的边界条件,而不是利用自然材料和三维超构材料中的本构参数来调节电磁波的行为。与超构材料相比,超构表面的加工难度更小,可以有效解决超构材料不可避免的损耗、色散和相位失配等问题。近年来,超构表面已被用于产生多种有趣的光学效应,包括异常反射和透射、平面透镜成像、全息成像、光子自旋霍尔效应和涡旋光束等。
南京大学物理学院副教授王漱明长期致力于光学超构材料和超构表面的研究,近年在国家自然科学基金优秀青年项目、国家自然科学基金重点项目等资助下,取得了一系列研究成果。如:在微纳光学领域,使用微纳结构实现了传统体块光学器件无法完成或者完成效果不好的新功能;在微纳光学体系中,利用超构表面和金属等离激元器件实现了较传统体块光学器件体积更小、功能更强的经典和非经典光学器件及效应。王漱明所取得的光学超构材料和超构表面有关成果在量子通信、量子计算、机器人视觉以及虚拟和增强现实等方面具有广阔的应用前景,在一定程度上为超构材料和超构表面走出实验室进入市场开通了道路。
 
1 实现基于超构透镜阵列的高维量子纠缠光源
量子信息是目前国际上最活跃的研究领域之一,是国家科技发展的重要方向。针对现有量子光源面临的维度低、光子数少、集成度低等问题,王漱明与研究团队通过将超构透镜阵列与非线性晶体结合在一起,成功制备出高维路径纠缠光源。理论上这个量子光源的维度为100维,而且通过增加超构透镜数,纠缠维度可以进一步提高。该成果突破了现有集成量子光源的技术瓶颈和维度限制,为光量子信息技术的发展提供了一条全新的路径。上述成果以第一作者和通信作者刊发于Science。基于超构透镜阵列的高维量子纠缠光源制备被《中国激光》杂志社评选为“2020年度中国光学十大新闻”,并入选《中国激光》杂志社“2020年度中国光学十大进展”。
 
2 创新提出相位拆分原理,实现超构表面有效的宽带色差调控
针对宽带连续消色差光学器件设计原理的空白,王漱明创新提出将光学元器件所需要的相位拆分成与波长无关的基础相位(实现器件的大致功能)和与波长相关的色差相位(实现不同波长之间色差的补偿)。使用只与超构单元的几何对称性相关的几何相位和与超构单元中局域电磁共振相关的共振相位,分别实现基础相位和色差相位,成功地提出宽带色差调控器件的设计方案。
 
3 成功研制近红外、可见光等频段的宽带连续消色差超构表面器件
在提出相位拆分原理的基础上,利用金属超构表面实现了近红外(1 2001 650 nm)的宽带连续消色差反射聚焦镜。这是首次实现宽带连续消色差超构表面器件,带宽为中心波长的1/3。相关成果以第一作者和通信作者刊发于Nature Communications(被引用364次)。
王漱明使用GaN超构表面,成功实现可见光频段(400660 nm)的连续宽带消色差的超构透镜,带宽增大到中心波长的1/2,平均工作效率提高了40%50%。使用超构透镜实现可见光频段的彩色图片成像和彩色视频拍摄,相关成果以第一作者发表于Nature Nanotechnology(被引用439次)。可见光宽带消色差超构透镜相关成果获得2018年中国光学十大进展(应用研究类)。
 
4 基于色差调控超构透镜阵列实现优异光场成像和光谱光场成像
材料的光学特性随波长变化而改变,这导致光学元器件的色差现象。色差问题严重影响着宽波段工作的光学系统的精度和效果,特别是在可见光波段的彩色成像。针对单个消色差超构透镜有限的口径和成像能力,王漱明引入消色差超构透镜阵列实现了毫米量级口径,提高了透镜的数值孔径和成像分辨率。同时还实现了光场成像——对视场中物体的三维信息(光场信息)的有效记录。
使用消色差超构透镜阵列首次得到了高质量的可见光消色差光场成像,相关成果以第一作者发表于Nature Nanotechnology。这项研究得到了国内外研究者和成像技术从业者的广泛关注,至今已有92次引用。
 
5 基于表面等离激元体系实现超集成量子光学逻辑器件
创新使用介质加载表面等离激元波导体系实现偏振编码。通过精细选择表面等离激元分束器的各种参数,得到超集成的量子控制-非门只有14μm×14μm见方。这是当时报道最小的集成量子逻辑器件。研究结果表明介质加载等离激元体系是一个有效地实现偏振编码的体系,也为实现集成量子光路提供了一个新思路。相关成果以第一作者和通信作者发表于Nature Communications
近年来,王漱明先后承担国家自然科学基金优秀青年项目“多波段宽带消色差超构表面成像研究”、国家自然科学基金面上项目“消色差超表面和阵列研究”、国家自然科学基金重点项目“基于超构表面的非线性光学效应以及量子光源研究”,参与了国家自然科学基金优秀群体项目“人工微纳结构中的光学新效应研究”、国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项“人工微结构中的量子、类量子效应及功能集成光子芯片”项目。研究成果在2018年和2020年两次入选中国光学十大进展,并获得第四届江苏青年光学科技奖。
作为光学超构材料和超构表面研究领域的一名探路者,王漱明非常注重研发工作的创新性。创新须具有必要性和先进性,如此成果转化后才能产生更大的社会效益和经济效益。因此,面对每个新想法,他总是问自己两个问题:这个想法的提出是否必要?与相同的功能或者类似的解决方案相比,它是不是更优越?如果答案是肯定的,他会义无反顾,埋头攻关。
当前,国内外光学超构材料和超构表面的研发及应用发展迅猛,各类基于超构材料的公司和研究院所应运而生,华为、京东方等各类大型企业也纷纷加入超构材料和超构表面的研发行列。“现在是超构材料和超构表面从象牙塔里走出来,进入产业界的关键时期,如何在某些关键的技术和产品点上实现产业上零的突破,是所有相关领域从业者的工作重点。”王漱明表示,未来他和团队在开展超构材料和超构表面研究的同时,会更加注重与产业界的联络和合作,争取早日开发出具有实用价值的技术和产品,服务国家,造福社会。