新型超表面為圓偏振光提供緊湊的解決方案
左旋和右旋圓偏振光是指電磁波在傳播過(guò)程中以順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)绞叫D(zhuǎn)的光，它在廣泛的應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，從增強(qiáng)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)到實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的通信技術(shù)，不一而足。然而，產(chǎn)生圓偏振光通常需要復(fù)雜而笨重的光學(xué)裝置，這阻礙了它在空間有限的系統(tǒng)中的應(yīng)用。 DJf!{:b)
為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)副教授吳林領(lǐng)導(dǎo)的新加坡研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新型超表面--一種具有自然界不存在的特性的超薄材料--或許能夠取代傳統(tǒng)的復(fù)雜而笨重的光學(xué)裝置。 K 0O&-v0"1
他們?cè)凇段锢碓u(píng)論快報(bào)》的論文 “通過(guò)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的非線性手性超表面實(shí)現(xiàn)全圓偏振上轉(zhuǎn)換 ”中發(fā)表了自己的研究成果。 ULkhTB
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在任意極化激勵(lì)下從具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的手性超表面產(chǎn)生圓極化非線性信號(hào)。 &udlt//^%
研究小組提出的超表面具有手性，這使得它不同于傳統(tǒng)裝置中使用的材料。物體的手性意味著它不能疊加到其鏡像上。就像我們的左手和右手一樣，手性物體以互為鏡像的兩種不同形式存在。手性光學(xué)納米結(jié)構(gòu)（如超表面）的主要特征是它們對(duì)光的左右圓偏振的響應(yīng)明顯不同。 ix]t >2r
吳副教授的研究小組證明，在非線性超表面中，手性和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性這兩種奇特幾何特性的結(jié)合能夠產(chǎn)生一種有趣的機(jī)制，從任意光學(xué)激發(fā)中產(chǎn)生圓偏振光。 UMbM3m=\
超表面的非線性在光的這種轉(zhuǎn)換中至關(guān)重要。線性超表面會(huì)過(guò)濾入射光，只允許特定偏振光通過(guò)。另一方面，非線性超表面不僅能選擇和放大特定的圓偏振，還能將其轉(zhuǎn)換成頻率完全不同的圓偏振光。 ^p 4 33
例如，非線性材料可以將可見(jiàn)光轉(zhuǎn)化為頻率范圍不同的紫外線輻射。這種頻率上轉(zhuǎn)換能力與超表面固有的手性相結(jié)合，使超表面能夠在特定頻率范圍內(nèi)有效地產(chǎn)生圓偏振光。 8%wu:;*]%
吳副教授說(shuō)：“所有這一切都發(fā)生在僅一微米的超薄層中。這與通常用于產(chǎn)生圓偏振光的笨重光學(xué)裝置大相徑庭。在我們的設(shè)計(jì)中，我們?cè)诔砻鎸觾?nèi)周期性排列的元素之間加入了扭曲，創(chuàng)造出巧妙模仿螺絲螺紋的幾何形狀�！� 4R/cN' -
她補(bǔ)充說(shuō)：“通過(guò)數(shù)學(xué)闡釋，該團(tuán)隊(duì)證明了層的堆疊導(dǎo)致了超表面的手性響應(yīng)。僅僅兩個(gè)堆疊層就能產(chǎn)生最大手性響應(yīng)。這為各種令人興奮的應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)，為未來(lái)光學(xué)設(shè)備的微型化帶來(lái)了巨大潛力。它還可以應(yīng)用于手性傳感、新型材料和生物分子的圓二色性光譜學(xué)，這對(duì)醫(yī)學(xué)和量子物理學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域都有深遠(yuǎn)影響。我們?cè)O(shè)想，這種超表面可以用作在難以到達(dá)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射圓偏振輻射的緊湊型輻射源�！� $kef_ *BQg
超表面設(shè)計(jì)的獨(dú)創(chuàng)性也清楚地證明了上海理工大學(xué)致力于在研究中實(shí)現(xiàn)技術(shù)與設(shè)計(jì)的交叉。在設(shè)計(jì)超表面時(shí)，團(tuán)隊(duì)首先要明確光上轉(zhuǎn)換成圓偏振光的機(jī)制。 cRhu]fv()
然后將這一技術(shù)融入到超表面的設(shè)計(jì)中，團(tuán)隊(duì)有效地將他們的理論認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)化為一個(gè)功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)緊湊的裝置。這種設(shè)計(jì)與技術(shù)的完美結(jié)合是 SUTD 跨學(xué)科研究方法的一大特色。 X) peY
目前，吳副教授的團(tuán)隊(duì)正與 SUTD 的同事楊祖龍教授及其團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證他們的研究成果。她說(shuō)：“我們的主要目標(biāo)是觀察全圓上轉(zhuǎn)換的效果。我們的目標(biāo)是用非偏振光'激發(fā)'該結(jié)構(gòu)，并獲得以高度圓偏振為特征的非線性信號(hào)。我們樂(lè)觀地認(rèn)為，這項(xiàng)工作將為 SUTD 科學(xué)家的研究組合再添一項(xiàng)重要成果�！� Th6xwMq
論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.023804
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