撰稿|由课题组供稿
基于法布里-珀罗(Fabry-Perot, FP)腔原理设计的金属-绝缘体-金属(Metal-insulator-Metal, MIM)纳米腔已经被广泛研究并用于实现滤波或完美吸收等功能，通过改变腔长可以有效地进行光谱调控，并进一步用于彩色纳米印刷等。然而，利用MIM结构进行光波的振幅和相位的双重独立调控，仍面临挑战。
近期，武汉大学李仲阳课题组在《Advanced Optical Materials》上发表了研究论文“Stepwise Dual-Fabry-Perot nanocavity for grayscale imaging encryption/concealment with holographic multiplexing”，提出了一种基于新型双叠层法珀纳米腔的光参量独立操控方法，并在实验上实现了近场灰度图像隐藏和全息复用等功能。
该研究提出了一种基于金属-绝缘体-金属-绝缘体-金属（MIMIM）的双叠层法珀纳米腔架构策略，可实现对光波的振幅、相位和工作波长的三重操控，并利用灰度曝光制备阶梯式阵列设计，进一步在实验展示了灰度图像隐藏以及纳米印刷图像和全息图像的复用功能(见图1)。
图1. 基于双叠层法珀纳米腔阵列的灰度纳米印刷和全息显示复用的功能示意图
近年来，光学超表面领域对纳米印刷图像、光学全息以及信息复用等功能性器件进行了广泛和深入的研究。在亚波长尺度下，通过设计单元结构可对光波振幅、相位以及偏振等参量进行独立调控。另一方面，MIM纳米腔结构凭借其出色的光谱滤波响应以及简单易得的加工工艺，受到了微纳光学领域研究的重视，并被广泛应用于功能性光子器件设计，如利用MIM纳米腔阵列以实现高分辨率的彩色纳米印刷图像，或将MIM纳米腔薄膜作为滤波器助力彩色全息等。目前，MIM结构虽然为微纳平面光学领域提供了有效的光谱选择能力，但涉及到相位操控时，由于MIM结构相位与光谱的关联与依赖关系难以打破，因此在实现光波的振幅和相位同时且独立的双重操控时，仍难以实现，往往需要额外的微纳结构设计辅助，急剧增加了加工难度和复杂性。
研究团队提出一种新型双叠层法珀纳米腔架构策略，实现了对光波的振幅、相位以及工作波长的三重调控。利用阶梯式阵列排布的纳米腔像素单元，可进一步实现纳米印刷图像和远场全息的功能复用。
该双叠层法珀纳米腔由MIMIM组成，可通过改变两层电介质的厚度分别对工作波长和反射振幅进行操控。实验中采取了灰度曝光的方式实现了阶梯式阵列样片的制备（见图2）。由于样品的下层电介质厚度只对工作波长下的光能具有连续的强度调控，其他波长下表现为较高的反射，因此，通过空间排布阶梯式的纳米腔，可在其工作波长下形成灰度纳米印刷图像，而其他波长下无法显示，从而实现了灰度图像信息的加密能力（见图3）。
图2. (a)双叠层法珀纳米腔加工流程；(b-c)不同照明条件下反射示意图和实验结果；(d-e)在570 nm波长下具有不同底层电介质厚度的纳米腔反射强度；(f)实验与模拟中具有不同底层电介质厚度纳米腔的反射光谱。
图3. 双叠层法珀纳米腔阵列实现灰度信息隐藏。(a-d)在不同入射条件下观测样品；(e-h)对(a-d)进行去饱和度处理后的灰度图。
该纳米腔对工作波长λ1的光可进行强度调制，对于另外波长λ2的光可进行相位调制。通过合理选择纳米腔的结构尺寸参数，可实现在保证λ1反射强度固定时，对λ2的相位进行独立操控，因此可实现双波长通道下的纳米印刷和远场全息的独立操控与功能复用（见图4）。
图4. (a)电介质厚度t2对波长λ1的反射强度调控以及对波长λ2的相位调控；(b)双通道独立调控反射强度和相位的示意图；(c-d)在λ1下实现近场纳米印刷图像和λ2下全息显示复用的实验结果。
综上所述，该研究在理论和实验上提出了一种新型双叠层法珀纳米腔架构，验证了其对光波振幅与相位的独立调控能力，为薄膜纳米腔创造了新的操控自由度，丰富了微纳光学的结构设计种类，并有望在信息复用、图像加密与显示等领域得以应用。
该论文的共同第一作者为武汉大学博士生代尘杰和万成伟，通讯作者为李仲阳教授。该研究得到了国家高层次人才引进项目、武汉大学、武汉市科技局等单位的支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adom.202100950
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