超材料前沿研究一周精选 2020年11月2日-2020年11月8日

手性是指及物体无法通过简单的操作（例如旋转和平移）叠加得到其镜像结构的属性。通常，对于化学，生物学和光学方面的实际应用而言，天然材料中的手性太弱。电磁超材料的发展极大地扩展了在不同频率范围内可获得的手性响应。 除了具有旋转光偏振态的能力（圆形双折射）外，手性超材料对于左右圆偏振（圆二色性）也表现出不同的透射水平，并且对于圆偏振波可以具有负折射率。这些特性已发现许多重要的应用，例如，完美镜头，生物传感器，吸收器和偏振旋转器。不仅可以在手性结构中观察到旋光性，而且在具有外在手性的非手性结构中也可以观察到。在这样的系统中，非手性结构与倾斜入射一起形成了不能与其镜像重叠的几何布置，因此整个布置变得手性。最重要的是，可以通过超材料平面相对于入射光束的倾斜来调整外手性效应。这种可调节的旋光性发生在简单的平面超材料设计中，该设计非常适合已建立的平面制造技术。

手性超材料已经引起了广泛的兴趣，因为在需求的频率下可以实现比天然材料更高的旋光性，近日，来自天津大学的研究小组通过在太赫兹频率下周期性地布置对称性破缺的介电Mie谐振器，提出了一种具有强非本征圆二色性和圆双折射性的全介电超材料。来自圆极化入射波的电磁共振之间的强相互作用决定了全介电超材料的性能，全介电超材料在透射中表现出60％的圆二色性，最大偏振旋转角为60°。另外，通过调节入射波的倾斜角度，可以在0.67–0.79 THz的频率范围内连续调节振幅保持不变的圆二色性光谱。这项发现在偏振依赖的应用中具有巨大的潜力，例如不对称传输，光学隔离和片上手性操纵。相关研究发表在杂志《Optics Letters》上。（刘乐）

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https://doi.org/10.1364/OL.403377

 二阶(χ⁽²⁾)非线性光学是许多经典和量子应用的基石。例如，为了实现光学频率合成和光学原子时钟的紧凑功能，基于三阶(χ⁽³⁾)非线性过程的频率梳需要通过有效的二次谐波产生(SHG)进行自我参考，理想情况下是在同一硅片上。然而，硅光子学中常见的材料，包括硅(Si)、氮化硅(Si₃N₄)和二氧化硅(SiO₂)，在电偶极子近似下不支持χ⁽²⁾体响应。因此，在硅片上实现有效的SHG是特别具有挑战性的(例如，对于频率梳中的f-2f锁定)。 因此，基于硅光子技术的系统往往依赖传统平台，如厘米尺度的周期性极化铌酸锂波导来χ⁽²⁾功能。 另外，在非硅基薄膜平台（包括氮化铝、砷化镓和铌酸锂）中实现有效的SHG方面取得了相当大的进展。这种进展通常需要与硅基平台进行异构集成，以便在上述频率梳应用程序中优化性能。另一方面，碳化硅纳米光子学最近取得了重大进展，在光子晶体腔和微环谐振器都证明了χ⁽²⁾过程。然而，在碳化硅(SiC)中实现高性能的制造工艺表明，它与硅光子学平台的其余部分的集成可能是具有挑战性的。

也有一些工作旨在在典型的硅光子学材料中直接演示有效的高阶χ⁽²⁾过程。一种方法利用硅基系统中存在的弱χ⁽²⁾非线性(例如，由于对称性破坏），结合高质量因子微腔中的完美相位匹配，将归一化SHG效率提高到0.1%W⁻¹和0.049%W⁻¹。通过优化输入/输出波导-谐振器耦合可以提高这些效率，但最终由于χ⁽²⁾非线性的弱点而受到限制。另一种方法使用了一个大的有效χ⁽²⁾非线性，它是通过电场和介质的χ⁽³⁾非线性相结合而产生的，在光子波导中没有腔增强。这种电场可以直接由外部电极或光学通过光伏面效应诱导，并导致χ⁽²⁾非线性高达41pmV⁻¹和归一化SHG效率高达13%W⁻¹。诱导场不仅产生了大大超过现有固有非线性的非线性，而且支持准相位匹配(QPM)，相位要么是预先确定的，要么是自组织/光子诱导的。然而，与使用传统χ⁽²⁾材料的设备相比，上述方法单独使用时效率低下，因此远远不能产生毫瓦级连续波S HG输出。

 近日，来自美国国家标准和技术研究所的Xiyuan Lu等人为了实现高效的SHG，设计了利用强有效χ⁽²⁾非线性和共振增强的器件。他们使用Si₃N₄平台，它已经成功地应用于许多宽带非线性光子学演示，包括八度跨越频率梳，经典/量子频率转换和光学参数振荡。在这里，正在使用的物理过程是光范数场诱导的SHG，这是几十年前首次在掺锗玻璃纤维中发现的。与Si₃N₄波导和SiO₂纤维等非共振几何中的光诱导χ⁽²⁾的报道相比，他们在高Q Si₃N₄微共振器中证明了一种有效的光诱导χ⁽²⁾非线性。 他们表明，这种共振增强的光诱导χ⁽²⁾非线性过程使高效率的SHG具有可观的连续波输入输出功率。相关工作发表在《Nature photonics》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41566-020-00708-4

固体系统中的光声相互作用显示出很强的潜力，作为从量子信息控制到微波和光信号处理的各种应用的基础。非线性光机械耦合已被用于微波滤波和合成、光学非互易性和基于芯片的放大器和激光器。同时，线性声光相互作用在用于光学调制和光声门控的压电材料系统中得到了广泛的研究，并作为微波-光转换和非互易路由的潜在机制引起了人们的广泛关注。

特别是，分布式声光调制已经成为集成光子电路中实现低损耗、无磁隔离器和循环器的一种很有前途的手段。这种基于调制的方法对于芯片规模的实现特别有吸引力，因为它们避免了与小型化磁光隔离器相关的相当大的制造挑战和过度的光吸收。最近的器件演示产生了非互易声光调制和宽带操作，但依靠悬浮光机械波导和窄带光学谐振器或光泵浦来实现非互易效应，对系统的可扩展性提出了潜在的挑战。此外，必须提高调制强度，才能将这些新兴技术转化为稳健的非互易组件。尽管如此，这些进步代表了巨大的潜力：高性能，可重构的集成隔离器和循环器是可行的，如果强大的声光相互作用可以在芯片上实现。

然而，声光器件在集成光子学的主要材料硅中仍未实现。尽管有一系列令人印象深刻的硅光子器件技术，包括小型化电光调制器、探测器、信号处理器和振荡器，硅在绝缘体上缺乏压电耦合和声波的本征反导，阻碍了硅基声光学的进展。由硅的特别强的弹性光学效应，相关的非线性耦合已经通过片上受激布里渊散射实现。到目前为止，这些器件在非标准悬浮或缝隙波导结构中使用了相对低效的声波非线性光传导。试图通过电容耦合或光声效应在硅中实现直接弹光调制已经显示出强大的控制程度的潜力。然而，目前，这些系统中适度的（<10⁻³）声光散射效率限制了它们的实际应用。

 近日，来自美国加州理工学院的Eric A. Kittlaus等人他们演示了电驱动的声光调制在硅光子波导，并利用这种能力创建宽带，集成的非互易光学调制器。直接机电传导是利用互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容氮化铝在绝缘硅(AlN-on-SOI)材料平台上实现的。在低损耗集成光波导中发射的声表面波(SAW)通过行波弹光耦合产生线性声光调制。通过对器件几何形状的光刻控制，在1-5GHz的频率范围内实现了光相位调制和单边带幅度调制。这些调制器不使用悬浮结构或光泵浦，可与现有的电光调制器技术相媲美。他们还展示了如何将这些相互作用扩展到更长的相互作用长度，这是基于光学调制创建非互易器件的必要条件。利用蛇形波导结构，他们在100G Hz(0.8nm)的光带宽上显示了增强的调制效率（>10%）和电驱动的非互易调制和光模转换，这代表了朝着硅中实际的光学隔离器和循环器迈出的重要一步。强大的声光调制器(AOMs)在芯片上的实现可以实现一系列应用，包括基于芯片的外差检测、频率调制、波形合成和梳状波生成以及开关。更普遍地说，这种设计方法打开了一扇门，各种光电机械设备，以及灵活的AOMs和非互易操作，可以直接集成在硅光子电路。相关工作发表在《Nature photonics》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41566-020-00711-9

拓扑光学在光学二极管、鲁棒性波导、高Q值谐振腔以及低阈值激光器等应用领域具有广阔前景。近期，标志着能带结构极值点的能谷，在二维层状材料中被广泛的研究，同时也被引入光学领域。在两个不等价的布里渊区角处，也就是K^’和K点处，体能带具有相反的Berry曲率。因此，体能带可以用非零的谷陈数来表征，同时会在带隙中出现明确的边界态。由于时间反演对称性受到保护，到目前为止，谷霍尔拓扑相以及导致的边界态已经在全介质光子晶体、螺旋波导、表面等离激元晶体等系统中实现。许多有趣的现象，诸如鲁棒性延迟线、完美折射、可调节激发以及可重构传输，已经被理论上预言以及实验上实现。在另一方面，频域自由度在通讯和信息处理中被广泛应用。基于频域自由度，诸如多波段滤波器、多波段收发器以及多功能光子晶体光纤滤波器的多波段器件被提出。

最近，在谷霍尔系统中两个及以上同时出现的体能带，拓宽了波导的带宽。但是，具有拓扑性质依赖于频域的带隙还没有被报道，并且，对电磁波的调控局限于边界态的鲁棒性传输。近期，来自中山大学董建文课题组的Guo-Jing Tang等人将频域自由度引入具有双带隙的谷光子晶体（VPC）。为了实现在两个不同频段的双带隙，研究人员建立了基于高阶平面波展开模型的有效哈密顿量。用三个结合的VPC，通过调节工作频率可以实现宽频光学转向。这项工作在波分多路复用器等多波段光学器件中具有潜在的应用前景。相关研究工作发表在《Physical Review B》上。（华金国）

文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.174202

多维摄影可以捕获超出仅测量光的二维（2D）空间分布的常规图像传感器所无法提供的光场。通过将入射光的高维度数据立方体映射到2D图像传感器上，多维摄影可以解析场景以及其他信息维度，例如波长和时间。但是，当前的多维成像仪的应用从根本上受到它们的静态光学体系结构和测量方案的限制—光学数据立方体体素与图像传感器像素之间的映射关系是固定的。摄影师经常面临为给定应用选择合适的模态的难题，特别是在缺少有关要成像场景的先验信息时。因此，缺乏可调性限制了当前多维成像仪在苛刻任务中的适用范围。

近日，来自美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Jongchan Park等人为了解决这一未满足的需求，通过主动光学映射开发了可调整的快照多维摄影方法。他们采用高分辨率液晶空间光调制器（SLM）作为有源光学映射器，以置换高维数据立方体体素并将其映射到2D图像传感器上。最终的方法首次使具有低维检测器阵列的高维光数据立方体能够自适应测量，从而可以根据需要在单个设备中的多个成像模态之间进行无缝转换。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：Jongchan Park et al. Snapshot multidimensional photography through active optical mapping. Nature Communications (2020) 11:5602

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19418-0

目前，分子跃迁的传感在各个领域愈发重要，跃迁一般对应狭窄的吸收线，该吸收线由高精尖工艺制造的太赫兹（THz）量子级联激光器（QCL）源进行探测。此外，在分子的吸收光谱上扫描频率还需要一种调节机制（既可以调节波长，也可以校正内置误差）。研究人员已经提出了几种解决方案来调整QCL。例如，通过电驱动的散热器来修改有源区的折射率；使用与QCL耦合的外部光腔来实现从12到50 GHz的连续调谐范围；还有利用近红外（NIR）激光激发的光调谐机制来控制中红外（QCL）激光的输出功率和频率。最近出现的具有多模发射的量子级联随机激光器（QCRLs），其反馈机制依赖于无序增益介质而不是传统的腔体，这些QCRL中的多重散射是由随机放置的气孔（通过有源区域蚀刻）引起的，进而出现不等间距模式的激光光谱。因此，只能改变有源区内部的散射能够调制QCRL的THz发射光谱。

近日，来自奥地利维也纳工业大学光子学研究所和纳米微结构研究中心S. Schönhuber的研究团队展示了一种在QCRLs背景下的控制方案，其中介电常数通过强度成形光束进行空间调制。他们利用外部近红外激光束通过QCRL中随机放置的空气孔耦合到结构中，从而改变孔附近的介电常数，并利用空间光调制器，对近红外微扰的分布进行迭代优化，以重塑器件的发射。该器件最初是多模的，最终被转换成可调谐的单模光源。他们的方法为解决QCLs中的主要挑战指明了方向，例如近场探测或非线性模态相互作用的研究（例如，空间烧孔）。此外，该团队利用近红外光束空间模式中的多自由度，证明了QCRLs中的全光可控性，这使得THz光的整形能够实现非常规的光谱特性，如双色发射，并设想这种技术可以直接扩展到调谐其他特性，如激光定向性。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）

文章链接：

Schönhuber, S. et al. All-optical adaptive control of quantum cascade random lasers. Nat Commun 11, 5530 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19305-8.

三维(3D)表面成像广泛应用于工业、娱乐、生物医学等众多领域。在现有的方法中，结构光轮廓术因其测量精度高、成像速度快，在动态三维物体测量中越来越受欢迎。相移条纹投影轮廓术(PSFPP)是结构光轮廓术中应用最广泛的一种方法，它利用一组正弦条纹图作为坐标编码的基础。与其它结构化光的方法(如二元模式投影)相比，条纹图案的相位所携带的像素级信息对物体表面的反射率变化不敏感，这使得其在三维测量具有很高的精度。在PSFPP中使用的正弦条纹通常是用数字微镜装置(DMDs)产生的。DMD上的每个微镜都可以独立地从其表面法线向＋12°或－12°倾斜，以产生高达数万赫兹的二进制图案。

近日，加拿大国家科学研究研究所Cheng Jiang等人报道了基于时间交错采集技术(TIA)的高速三维成像的双视场限带照度轮廓术(BLIP)。基于数字微镜装置的限带照明使正弦条纹投影最高可达4.8 kHz。条纹图案由两台高速照相机交替捕捉。该算法通过对获取的图像进行鲁棒匹配，恢复物体的三维形状。由此产生的TIA-BLIP系统能够在高达180 mm×130 mm(相当于1180×860像素)的视场(FOV)上实现每秒超过1000帧的3D成像。实验中，研究人员通过对各种静态和快速移动的三维物体成像来验证TIA-BLIP的性能。应用TIA-BLIP对声音引起的玻璃振动和玻璃锤击破碎进行了成像。与现有的多视场相移条纹投影轮廓术方法相比，TIA-BLIP消除了数据采集中的信息冗余，提高了三维成像速度和FOV。研究人员设想TIA-BLIP将广泛应用于各种科学研究和工业应用。相关研究工作发表在《Photonics Research》上。 （丁雷）

文章链接：

CHENG JIANG et al, High-speed dual-view band-limited illumination profilometry using temporally interlaced acquisition, Photonics Research(2020)

https://doi.org/10.1364/PRJ.399492.

柔性机械系统包括柔性机器人、可穿戴设备和柔性机构等，这引起了研究人员的极大兴趣。然而，由于材料本身的局限性，如模仿生物并精确操作几何结构稳定性，同时具有弹性以承受冲击并允许有一定的形变，仍然是一个挑战。高模量材料（如合金和陶瓷）仅有较小的弹性变形和塑性变形，而高弹性材料（如超弹性体）的刚性较低。尽管天然形状记忆超弹性材料会因应力引起的微观相变而产生可变的模量，但其形变小（<10％）、密度高（5-10 g·cm^-3）、工作温度范围窄。力学超构材料的引入为其开辟了新的研究方向，将常规材料制成模块化结构并组装，以实现自然界中没有的极限和可编程力学性能。在力学超构材料领域，当蜂窝结构受到外部载荷时，通过受控的韧带屈曲，可以从高模量转变为高柔顺性，将高模量的预屈曲转变为以弯曲为主的后屈曲情形。其设计包括：具有空隙的弹性体、相互连接的柔性梁、可恢复变形的微晶格。但是屈曲的调整要求这些蜂窝结构具有相当低的细长比和较大的韧带，这从根本上限制了可变形性和轻量化。

近日，哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室和英国曼彻斯特大学航空航天学院武睿博士报告了一种完全不同的方法，以实现自适应的刚度-柔顺转换，同时具有高变形性、低密度和原位自成形性能。基于这种方法，创造了一种力学超构材料，包括两个相互预加载的弹性“相”。在外部荷载作用下，其刚度降低了30倍并具有可恢复超60％的压缩性能，使变形范围超出线性弹性20倍，同时利用折纸、剪纸和层状结构将二维材料转换成复杂的三维结构。加热时，它会从薄的二维结构转变为三维结构，体积膨胀约50倍，其密度降低至0.02-0.05 g·cm^-3。与屈曲引起的超弹性相比，它的变形能力提高了一倍，而密度却降低了一个数量级。同时，可以通过调整设计参数和结构单元的布置来编程总体几何形状和机械响应。利用泰森多边形模式，演示了一种生成具有各向异性/各向同性超弹性的单/多晶体状3D晶格的方法。这种具有高可变形性的预应力诱导的自适应刚度，向超轻型机械系统又迈进了一步。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）

文章链接：

Wu, R., et al., Lightweight Self‐Forming Super‐Elastic Mechanical Metamaterials with Adaptive Stiffness. Advanced Functional Materials, 2020.

https://doi.org/10.1002/adfm.202008252

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