1. 导读
图1 在全反射条件下，利用PA超表面可以实现高效透射
全反射，又称全内反射（total internal reflection，TIR），是指当光线从高折射率的介质进入到低折射率的介质时，如果入射角大于某一临界角，折射光线将会消失，所有的入射光线将被反射而不进入低折射率的介质(如图1(a))。全反射在一些光学器件和光学设计中起到了关键作用。然而另一方面，全反射在某些场景中又会引起许多问题。它会显著降低高折射率材料中的光源的辐射效率。尽管在界面上应用光栅结构或超表面可以在全反射条件下释放一部分的光能量，但是这些方法具有效率低、衍射级次多、透射波前不可控等缺点。
针对这一问题，近日南京大学赖耘教授与南京师范大学褚宏晨研究员组成的研究团队在Nanophotonics上发表了最新研究成果，提出了一种基于梯度相位减反超表面（phase-gradient antireflection metasurface，后简称PA超表面）的新电磁波器件，成功突破了全反射效应，实现了大于临界角条件下的高效透射。该研究成果表明，在介质表面设计的PA超表面不仅能补偿入射波和透射波的横向波矢量差，还能解决两种介质之间的阻抗失配问题，因此可以在大于临界角条件下实现高透射且可灵活操控透射波前(如图1(b))。在PA超表面的设计过程中利用互易原理巧妙规避了全内反射对超原子设计的限制。研究团队通过数值模拟和微波实验验证了所设计的PA超表面的功能。总的来说，该研究开辟了一条在全反射条件下实现高效透射波操纵的新途径，在高效波导-自由空间耦合、高辐射效率量子点、高辐射效率发光二极管等方面有广阔的潜在应用前景。
2. 研究背景
人们普遍认为是约翰内斯-开普勒（Johannes Kepler）最早发现了全反射现象。他在 1611 年出版的 《Dioptrice》 中公开了全反射相关的研究成果，并明确给出了结论：当光线从玻璃入射到空气的角度超过 42°（全反射临界角）时，这种光线只能全被反射而不能透射。全反射在很多光学相关领域中有着非常重要的应用。例如，光纤正是利用全反射效应才能将光束限制在光纤内部传播而不会漏光。再例如，在光伏领域，一些太阳能电池通过闪耀光栅和相位梯度超表面产生全反射来收集和捕获太阳光，从而显著提高光吸收效率。然而另一方面，全反射在一些具体场景中又会产生很多问题。例如，对于发光二极管（LED）等电介质基底的光源，其光辐射在电介质表面上会产生全反射，因此其辐射效率显著降低。为了增强全反射条件下的光出射，一种传统方法是在界面上应用光栅结构以引入额外的横向波矢量。但这种方法有两个明显的缺点。首先是由于反射的存在，其整体透射率相对较低。其次，光栅结构的透射通常包含多个衍射级次，因此在特定角度上的辐射效率低。另一种经典的方法是引入共振腔结构。例如，在LED 中引入共振腔结构，辐射光会在反射边界和辐射窗口上发生多次反射，然后以较小的入射角从辐射窗口中透射，从而避免了全反射。然而，在这种方法中，多次反射产生的损耗会降低总体的透射效率。此外，透射波的波前难以精准控制，这同样会导致光源的定向辐射效率较低。至今为止，还没有一种有效的方法，能够在全反射条件下实现高效透射的同时灵活操控透射波前。
3. 创新研究
针对上述问题，研究团队提出了一种基于超表面的解决方案。具体而言，通过在电介质表面应用梯度相位减反超表面，即PA超表面，可以让入射角大于临界角的入射波不发生全反射，而是高效地穿过界面（如图 1(b)所示）。PA超表面是一类独特的超表面，其兼具波前操控和减反增透的功能。在此之前，基于PA超表面已经实现了 “隐形 ”表面[Nat. Commun., 12(1),4523 (2021)]和穿墙无线通信[Phys. Rev. Appl. 17(6), 064027 (2022)]。利用PA超表面提供的相位突变分布可以匹配入射波和透射波之间的波矢差，从而突破经典的全反射条件，允许临界角之上的斜入射波透射。同时，由于超表面可以提供多样的透射相位分布，透射波的波前形状可以灵活调控。此外,利用PA超表面的减反功能，透射波的效率还可以进一步提升。因此，PA超表面可以将经典全反射条件下的零透射转变为全透射。
然而，需要指出的是，传统的超原子设计方法不适用于这种在入射角大于临界角的情况下工作的PA超表面。在传统的方法中，计算超原子的透射特性均通过假设超原子按周期排列且入射波与背景材料不变。由于PA超表面需工作在TIR条件下，因此在以上假设条件下的超原子透射率只能是零（如图2（a）），无法构成高透射的PA超表面。针对这一问题，研究团队提出了一种基于互易原理的解决方案。互易原理表明，如果一个PA超表面能够使得以θi (θi＞θC)入射的平面波以θt角度高效透射（如图2（d）），那么以θt入射的平面波就会以θi角度高效透射（如图2（c））。此时，入射波是从低折射率材料入射，因此就可以采用传统的超原子设计方法进行设计（如图2（b））。
图2 基于互易原理的PA超表面设计方法
基于这种新方法，研究团队设计了一种PA超表面，其由图3（a）所示的五种超原子组成。每个超原子的透射率均接近于1，同时单元透射相位等间隔分布且覆盖360°的范围。数值仿真的结果证明了这个PA超表面可以将原本的全反射转变为高效透射（如图3（b））。其中透射波沿预设方向传播，且透射率在9.9 GHz达到85%。微波实验同样验证了这个PA超表面的高效透射和波前调控的功能（如图3（d））。微波实验装置如图3（c）所示。
图3 PA超表面在全反射条件下实现高效透射的实验验证（入射为平面波）
界面上的反射和全反射现象是限制介质中的点源辐射效率的关键因素（如图4（a））。PA超表面通过阻抗匹配可以减少界面反射，通过波矢补偿可以消除全反射，因此可以显著增强点源的辐射效率（如图4（b））。研究团队设计了一种针对点波源的PA超表面。数值仿真的结果表明这个超表面可以将点波源的辐射效率由36%增加到87%。
图4 PA超表面增强电介质中点源辐射效率
4.研究结论
这项工作提出并通过实验证明了利用PA超表面可以在全反射条件下实现高透射,且透射波前可以灵活操控。PA超表面能够实现这种新颖的现象是因为它同时解决了界面上阻抗失配和横向波矢量失配的问题。在PA超表面的设计过程中运用了互易原理来巧妙规避了全内反射对超原子设计的限制。数值模拟和微波验证实验都验证了PA超表面能够显著增强电介质中的波辐射效率。相比于工作在临界角范围内PA超表面[Nat. Commun., 12(1),4523，2021]，这项工作突破了全反射的瓶颈，为开发电介质基底波源的高效辐射提供了一条有效途径。此外，采用互易原理来设计超表面单元结构的方案可能会启发新的超表面设计思路。
该研究成果以“High-efficiency radiation beyond the critical angle via phase-gradient antireflection metasurfaces”为题在线发表在Nanophotonics上。
本文作者分别是马晓轩,何海南, 贾润琪, 褚宏晨, 赖耘，其中前两位作者为共同第一作者，褚宏晨研究员和赖耘教授为共同通讯作者。褚宏晨研究员就职于南京师范大学物理科学与技术学院。赖耘教授团队单位是南京大学物理学院和固体微结构物理国家重点实验室。
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
两江科技评论