撰文｜Wei Wu group
原标题：全介质超表面（All-dielectric Metasurfaces）表面粗糙度（Roughness）对其性能的影响，及基于调控其光学共振模式（Resonant-Mode Engineering）实现性能增强
导读
1. 基于Volume-Current方法和FDTD计算，研究了全介质超表面表面粗糙度对其性能的影响，并与实验结果吻合。进一步地，可以通过数值计算预测不同程度粗糙度对全介质超表面性能的具体影响。
2. 提出并验证了一种基于调控全介质超表面内光学共振模式来增强其性能的方法。
第一作者：Hao Yang
通讯作者：Wei Wu
第一单位：University of Southern California
相较于等离子体纳米结构（Plasmonic Nanostructures），全介质超表面（All-dielectric Metasurface）具有高透射率，高折射效率等优良性质。近些年，全介质超表面的快速发展推动了超表面（Metasurface）在近红外和可见光波段的应用，如平透镜，光谱分离器，超宽波段反射器和全彩色反射显示屏。但是，由于加工过程中引入的缺陷，全介质超表面的表面粗糙问题难以避免（图1C）。随着超表面逐渐运用到较短波段（近红外和可见光），表面粗糙带来的影响会越来越大。以图1D和1E中的基于全介质超表面的全彩色反射显示器（H. Liu, H. Yang, W. Wu et al., "Switchable All‐Dielectric Metasurfaces for Full‐Color Reflective Display," Advanced Optical Materials 7(8), 1801639 (2019).）为例，可以看到实测光谱相较于理论计算光谱缺失了右侧的反射峰，影响了其性能。先前有工作研究了加工误差如尺寸偏移和角度偏移对超表面性能的影响，但是随机的加工误差对超表面性能的影响仍不清楚。此外，对于某些可见光波段的应用（如全彩色反射式显示器），全介质超表面的性能仍需要提高。
图1 全介质超表面的表面粗糙度及对其性能的影响
以红光波段反射器为例，我们研究了表面粗糙度对全介质超表面性能的影响。如下图2B所示，在理想（表面无粗糙）情况下，理论计算反射光谱中，有两个反射峰，分别位于652nm和710nm。通过观察对应的场分布（图2C和2D），我们发现，这两个发射峰对应的光学共振模式有所不同。
和 
对652nm反射峰贡献基本相同，而710nm反射峰主要来源于
。此外，对于652nm和710nm反射峰，
都与纳米柱侧壁重叠较多，而 
主要分布于纳米柱内部。
图2 基于理想（表面无粗糙）全介质超表面的数值计算
全介质超表面的表面粗糙可以认为是侧壁的“凸起（bumps）”，如下图3A所示。基于Volume-Current 方法的分析，表面凸起引起的辐射损耗（Radiation Loss）对于光学共振模式的影响可以被等效于材料损耗（Material Loss）。因此，如下图3B所示，通过在全介质超表面外增添一层损耗层（Lossy Shell），全介质超表面的表面粗糙对其性能的影响可以被定性分析。在考虑了表面损耗后（图3E），理论计算光谱与实测光谱更加吻合，证明了我们分析的有效性。
图3 全介质超表面表面粗糙度对其性能影响的分析
进一步地，该模拟方法可以被用于定性估计不同程度粗糙度对于全介质超表面性能的影响，如下图4所示。这便于在设计超表面时就考虑到加工精度的可能影响。
图4 不同表面粗糙度的全介质超表面的数值计算
通过表面粗糙对于全介质超表面性能影响的分析，我们可以看出不同光学共振模式由于分布位置的不同，受到表面粗糙的影响也不同。基于此，我们提出了一种通过调控光学共振模式增强全介质超表面性能的方法。超表面一般都对入射光角度很敏感，以基于全介质超表面的红光反射器为例，图5A至5C显示了入射光角度会对其反射光颜色产生明显影响。利用这种红光反射器做出的反射显示屏在不同视角下会有明显的颜色变化，是需要改善的。通过分析光学共振模式（图5G和5H），可以看出需要保留的光学共振模式（desired mode）主要位于纳米柱内部，而导致对入射角度敏感的光学共振模式（unwanted mode）主要位于纳米柱顶部。因此，我们可以在全介质超表面顶部加上一层很薄的Amorphous Si（图5D），在不影响需要保留的光学共振模式（desired mode）的同时，去除不需要的光学震动模式（unwanted mode）。图5E和5F显示了这种调控光学共振模式的方法很好地解决了入射光角度变化导致红光波段反射器反射光颜色变化的问题。
图5 基于调控光学共振模式实现全介质超表面性能增强
这项研究提出并验证了一种定性分析不同表面粗糙度对于全介质超表面性能影响的方法。该方法可以用于在设计超表面时提前估算后续加工精度的影响以改善设计。此外，该研究还提出并理论验证了一种基于调控光学共振模式来增强全介质超表面性能的方法，为将全介质超表面应用于近红外及可见光波段再添助力。
文章链接
Hao Yang, Wei Wu et al. Effects of roughness and resonant-mode engineering in all-dielectric metasurfaces. Nanophotonics 2020.
https://www.degruyter.com/view/journals/nanoph/ahead-of-print/article-10.1515-nanoph-2019-0501/article-10.1515-nanoph-2019-0501.xml
https://doi.org/10.1515/nanoph-2019-0501
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