灵活运用折纸与剪纸工艺-基于圆二色性的加密全息超表面

撰稿人|柏慧

折纸和剪纸技术为机械式可重构提供了全新的思路，在物理学和材料科学领域引起了广泛关注。结合超表面技术，折纸和剪纸有望应用于圆二色性动态调控等方面，但对于这一课题的探索仍处于萌芽阶段。近日，北京理工大学黄玲玲教授团队与空军工程大学屈绍波教授团队合作，综合运用折纸和剪纸技术动态构造三维手性结构，并利用L-和D-对映异构体在像素尺度内灵活调控超表面口径面内的圆二色性响应。通过以特定的方式折叠超表面，能够在指定旋向的圆极化波驱动下在不同频段内再现蕴藏于平面结构中的全息像。

论文第一作者王贺博士（北京理工大学/空军工程大学），共同一作秦喆（空军工程大学）和周宏强博士（北京理工大学/北京工业大学），该工作以“Origami-kirigami arts: achieving circular dichroism by flexible meta-film for electromagnetic information encryption”为题，发表在国际顶级光学期刊Laser & Photonics Reviews上。

图1.折纸-剪纸超表面设计示意图

本文以折线形金属谐振器为基础，通过折纸和剪纸的方式构成面内金属线和立体四分之一圆环结构，在满足Rosenfeld准则的同时于空间中各个方向打破对称性。根据不同的构型可以设计出手性相反的L-和D-对映异构体单元结构（图2.（a））。当圆极化波入射时，两种对应异构体单元结构表现出对不同旋向的差分透射响应（图2.（b）和（c）），并分别在7GHz和11GHz两个频点处附近产生明显的谐振峰。由于L-和D-对映体单元结构在两个谐振峰处的透射率恰好相反，二者的圆二色性曲线表现出相反的旋光色散特性，以此为基础可以设计一系列基于圆二色性的功能器件。

图2.（a）L-和D-对映体单元结构示意图，（b）L-对映体透射率曲线，（c）D-对映体透射率曲线，（d）L-和D-对映体圆二色性曲线

本工作设计了一款具有加密成像功能的手性可重构超表面，在不同的成像距离上针对指定旋向的圆极化入射波再现加密信息。在设计过程中，采用了灵活的设计构架，综合运用了两种对应异构体单元结构和辅助单元结构进行优化排布。依托印刷电路板技术在柔性聚酰亚胺薄膜上刻蚀所需的金属结构，并用激光在预设位置开槽以便在折纸-剪纸操作中实现立体构架（图3.（a）和（b））。当左旋圆极化波入射时，在不同成像平面上成功再现了预先设计的图案信息（图3.（c）和（d））。而当右旋圆极化波入射时成像信息消失。

图3.（a）卷曲的样品，（b）折叠后的样品，（c）、（d）不同成像平面处左旋圆极化波入射时的再现像

本工作所提出的折纸-剪纸策略为加密全息超表面提供了全新的设计思路。当超表面处于平面状态时手性响应较弱，因此在未按照特定形式进行折纸-剪纸操作之前，难以获取超表面中所加密的成像信息。经过折纸-剪纸操作后的超表面，需通过指定旋向的圆极化波照射才能在不同成像平面处获得加密全息图像，而在另一旋向的圆极化波入射时无法获取任何信息。此外，本工作所设计的超表面样品可在便携状态和加密成像状态之间进行切换，可应用于加密电磁挂件与可折叠旋向选择系统中。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/lpor.202200545