新型可重构超表面实现单个像素控制，可用于光学显示及信息编码
2021-09-20 09:55:31   来源：   评论：0   点击：

中国的一支研究团队设计了可机电重构的超薄光学元件，可以逐个像素地进行控制和编程。这些多功能的超表面能够提供一种新型基于芯片的方法来实现对光的纳米级控制，从而实现更好的光学显示、信息编码和数字光处理。

许多关于电磁超表面和超材料的研究都集中在静态构型方面。然而，越来越多的科学家和工程师正在研究所谓的动态超表面，其光学特性可以通过施加电压、变形、热量或其他一些外部变化来主动重新构型。近期，北京理工大学研究团队设计了一款动态、超薄、可编程的超表面，能够实现纳米级光控制（Opt. Express，doi:10.1364/OE.434321）。

北京理工大学研究人员受到剪纸（kirigami，折纸的一种变体，包括折叠和切割纸质表面）设计的启发，开发了一种轻薄、带图案的硅上金（gold-over-silicon）结构，并可以对结构中的单个像素进行控制。他们认为，这种结构的光学元件最终可能会被整合到3D显示器、数据存储系统和数字投影仪等应用中。

像素化机电纳米剪纸方案

从艺术到芯片

据由物理学家Jiafang Li领导的北京理工大学研究人员称，折纸和剪纸艺术已成为基于石墨烯和聚合物等材料的3D微米结构和纳米结构的模型。其中一些器件采用气动或机械方式使这些超表面发生变形，但是对单个像素的真正电磁控制仍然具有挑战性。

首先，Jiafang Li和他的北京理工大学同事们创造了一种薄的纳米图案薄膜。微小图案中的每个单元格由两个阿基米德螺线组成，单元格相距2微米。研究人员使用电子束光刻、离子束蚀刻和湿法蚀刻将2D螺旋图案雕刻成60纳米厚的金膜。然后，该研究团队将金膜悬挂在硅衬底上，400纳米高的二氧化硅柱将两层分隔开。向器件施加电压会使螺旋线像素变形最大平面外高度为230纳米。

机电可重构超透镜

概念验证

为了测试这款新型可重构超表面，北京理工大学研究人员在两种不同类型的场景中使用了它。首先，他们通过向可重构超表面施加单一电压来制作全息设计——螺旋型风车的图像。其次，他们对晶格的各个像素施加了不同级别的电压，并生成了除风车之外的笑脸和五角星的设计。

单电压控制下的机电可重构全息设计

基于像素化纳米剪纸变形的可重编程超表面设计

北京理工大学研究人员指出，虽然其概念验证的实验阵列只有32 x 32像素，但是该原理可以应用于具有更多像素的全息图。此外，据研究人员称，将可重构超表面与某些OLED显示器中采用相同类型的多线寻址方法相结合，可以提高器件控制光的能力。这样能够在可见波长范围内实现多样化的动态光学和光子重构，并且可以高度扩展到其他构型设计、材料平台和波长范围。这项工作可能为活性超表面和纳米级光控制开辟新的途径，有望实现具有多任务处理和可重写光学功能的先进应用。

延伸阅读：

《超材料和超表面技术及市场-2021版》