现代光学设备需要不断调整与光的交互设置。比如，镜头需要改变焦点，激光雷达必须以不同角度发射和接收光。因此，设备中存在各种机械装置，如可移动透镜，旋转反射镜、可移动发射器。但是，如果有一天所有这些装置都变得不必要了呢？一个由俄罗斯ITMO大学和埃克塞特大学的工作人员组成的国际研究团队提出了一种新型超构材料，该材料能够在没有任何机械输入的情况下改变其光学特性。这种发展可能导致复杂光学设备的可靠性得到显着提高，同时使它们的制造更便宜。该研究以封面文章的形式发表在期刊Optica上。
在过去的几十年里，物理学和材料科学的飞速发展为人类带来了更加广泛的材料选择。现在，那些复杂设备的设计者已经不再受传统材料（例如金属，木材，玻璃或矿物）局限性的束缚。科学家可以制造出坚固且轻巧的材料；有韧性且柔软的材料；透明但折射率为负的材料。在这方面，超构材料展现出难以置信的潜力。由于它们具有复杂的周期性结构，因此它们实际上不受材料成分的限制。这些结构可用于操纵光、声、热和电。同时，它们的性能将远远优于天然材料。这样的结构可以是立体的也可以是平坦的——后者也通常被称为超构表面。
超构表面为实现便携、紧凑的新型光子器件提供了重要的技术途径。由高折射率纳米结构构成的全介质超构表面拓展了操控光线的可能性。但是，传统的基于电介质的超构表面，其功能在制造阶段就已固定。它们的光学响应如果能够动态调控和重新配置，将有望实现更加广泛的应用。本文中，研究人员通过将一层超薄的GST材料（一种硫属化合物相变材料Ge2Sb2Te5）嵌入硅纳米谐振体中，首次实现了一种具有多级、可重构、高效调控能力的“杂化全介质/相变超构表面”。
自从光学超构表面的概念出现以来，已经报道了许多具有新奇特性的新型光子器件。在这些器件中，支持电共振或磁共振的亚波长单元可以用于灵活调控光的相位、振幅和偏振。目前，在光频段获得强烈电磁共振的最具潜力的平台是基于全介质的纳米光子学，其中的亚波长单元由高折射率材料构成，如硅、锗等。
图一 等离激元和电介质纳米颗粒中基本共振和感应电流的示意图
图片来源：Optica 4(7), 814 (2017). Fig.1
高折射率全介质纳米天线中的有效磁响应是由位移电流驱动的，而不是像金属等离基元超构表面那样由传导电流驱动的。因此，全介质纳米天线没有欧姆损耗，可实现更高的工作效率。另外，通过使用全介质的亚波长单元，可以实现同等强度的磁偶极子共振和电偶极子共振，这为操纵光线带来了更多的机会和更广泛的自由度。
但是，全介质超构材料和超构表面的功能通常是在设计其结构的那一刻决定的，即光学响应取决于所用高折射率纳米天线的尺寸、形状、空间排列和材料特性。如何实现全介质超构表面的动态控制是一个尚未深入探讨的话题。
图二 相变材料GeSbTe在DVD中用于以二进制编码数据
图片来源：https://news.itmo.ru/en/science/photonics/news/9449/
在寻找用于可重构的光学设备的材料时，ITMO大学的研究人员与英国埃克塞特大学的同事携手合作。圣彼得堡的科学家们长期以来一直在试验基于半导体（例如硅制成）的超构表面。同时，英国研究人员在处理相变材料方面具有丰富的经验。在这些材料中，例如有经常用于DVD中的碲化锗锑（GeSbTe，简称为GST）化合物。研究人员决定将每个组所熟悉的材料混合到一个结构中，以便将硅在近红外区域的出色折射率与相变材料在高、低折射率和吸收状态之间“切换”的能力相结合（这两种状态在DVD中用于以二进制代码编码数据）。
GST是一种硫族化合物相变材料（PCM），它们可以通过适当的光、热或电刺激在非晶态和结晶态之间快速（纳秒或更短）切换并重复（最多1015个循环）。这种切换是非易失性的。相变过程导致折射率产生巨大反差，使得PCM在构建快速、节能（低功耗）、动态可重构的光学器件和超构表面方面非常有吸引力。在目前采用的方案中，介质谐振结构完全由PCM构成，这种方法一方面降低了器件的光学性能（PCM的介质损耗），另一方面较大的体积也限制了器件快速切换的能力（PCM导热慢）。
本文中，研究人员通过在介质谐振结构中放置一个超薄（∼λ0/100）的Ge2Sb2Te5层并对其相态进行可逆切换，展示出对超构表面谐振特性的独立、多级和动态调控能力。并实现了能够动态过滤和调制近红外光，调制深度高达70％的超构表面器件。
3.1 超构表面的设计和工作机理
图片来源：https://news.itmo.ru/en/science/photonics/news/9449/
这种新型超构表面结构，是由一系列包含了嵌入在两层硅之间的薄层GST相变材料组成的微盘结构。这是一种三明治结构：首先我们在透明基底上沉积硅层，然后沉积一层相变材料，再沉积一层硅。最后，使用电子束光刻方法，将层状结构转换为超构表面：一系列微型圆盘，并且在实验室测试了其操纵光的能力。样品在圣彼得堡物理与工程学院的实验室测试。正如研究人员所期望的那样，将两种材料组合成复杂的周期性结构会产生重要影响：在整个实验过程中，可以人为的改变超构表面的透明性。原因是近红外区域中的硅圆盘具有两个光学共振，从而使其能够强烈反射照射到表面的红外光束。GST层可以“关闭”两个共振之一，从而使圆盘结构对近红外区域的光几乎透明。这是如何发生的？相变材料具有两种状态：一种是其分子以有序的严格结构定位的结晶状态，另一种是分子在“轻松”状态下的非晶状态。如果位于超构材料中心的GST层处于晶态，则第二个共振将消失；反之，则不会。如果它处于非晶态，则圆盘结构将继续反射红外光束。
图四 超构表面的多级调控的实验（左）和仿真（右）结果
图片来源：Optica 7(5), 476 (2020). Fig.1
为了在两个超构表面状态之间进行切换，作者使用了功率足够强大的脉冲激光器，通过将激光聚焦在超构表面结构上，可以相对快速地执行状态切换。单个短激光脉冲将GST层加热到接近熔点，此后它迅速冷却并变成非晶态。如果对其施加一系列短脉冲，它的冷却速度会更慢，并稳定为结晶态。此外，切换过程是相对平滑的，这意味着结构不仅表现出两种相对的状态（反射或透射），而且还表现出过渡状态，在过渡状态下，圆盘仅反射一些光，这样的切换可以完成多次。作者成功地证明了GST能够在完全晶态和完全非晶态之间可逆和多级调控，这反过来又使得精细控制超构表面共振的光谱位置和幅度成为可能。
图片来源：https://news.itmo.ru/en/science/photonics/news/9449/
这种新奇的特性为实现激光雷达——一种通过发射红外脉冲来扫描空间然后接收反射光束的设备，打开了新的大门。为了使这种设备有效，光束方向需要高速变化。这意味着控制光束的设备必须具有快速的光学响应。根据本文工作开发的超构表面将有望使设计此类设备成为可能，而无需复杂的机械系统来移动光束。这将大大简化制造过程，并使设备更可靠。
本研究提出的方法还可以为实现新一代有源光学超构表面提供一个可行的平台，并为通信、安防、消费电子等领域提供潜在的应用。
文章信息：
该文章以“ Reconfigurable multilevel control of hybrid all-dielectric phase-change metasurfaces ”为题发表在 Optica 。
论文地址：https://doi.org/10.1364/OPTICA.384138
文章来源：中科院长春光机所 Light学术出版中心
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