对基于纳米天线的异常反射超表面进行宽谱段微区角分辨光谱表征- 大数跨境

两江科技评论

2018-09-22

导读：相比于传统的光学元件，超表面能够在亚波长尺度的表面创建相位面。通过超表面的设计，可以实现偏振转换、异常反射以及完美吸收等诸多功能，为超薄纳米光致偏振元件的发展铺平了道路，如异常光偏转器、透镜、波片、全

超表面超构材料纳米天线异常反射角分辨光谱

【概述】相比于传统的光学元件，超表面能够在亚波长尺度的表面创建相位面。通过超表面的设计，可以实现偏振转换、异常反射以及完美吸收等诸多功能，为超薄纳米光致偏振元件的发展铺平了道路，如异常光偏转器、透镜、波片、全息图、涡旋光束发生器、光波导器件等。

图1，超表面结构示意图及其一阶异常反射光谱图

2018 年 5 月，一篇发表于 Nanoscale 的题为《Vertically Integrated Visible and Near-Infrared Metasurfaces Enabling an Ultra-Broadband and Highly Angle-Resolved Anomalous Reflection》的文章，提出了一种竖直整合的梯形铝质纳米天线，分别获得可见及近红外超表面纳米结构，实现了一种超宽带高角度分辨的异常反射（图1）。在可见光区，上天线主要通过与下天线的配合而产生异常反射，下天线又与基底配合，产生相位变化，导致近红外区的异常反射。作者结合角分辨衍射光谱测量及电磁场强度分析等手段对这一结构的设计及工作原理进行了研究，成功的验证了在可见及近红外区域的超宽带高角度异常反射现象。

【样品 & 测试】在超表面的结构设计过程中，作者对不同的结构方案进行了反射光谱及电场强度模拟，发现同时具有 VIS-antenna 及 NIR-antenna 的超表面结构比单独具有 VIS-antenna 或 NIR-antenna 的结构表现出了更好的异常反射现象。综上，作者创造性的将两个不同梯形形状的 Al 质纳米天线， Al 基底， SiO2 介质层进行垂直级联组合，并设计尺寸为：Px = 1500nm，Py = 250nm，w1 = 90nm, w2 = 250nm, w3 = 40nm, w4 = 130nm的超表面结构。

图2，超表面超宽带高角度衍射特性表征

为了实验验证上述超表面结构的性能，作者采用傅里叶变换角分辨光谱法（FT-ARS）进行了小衍射角的表征，获取了±60°，400~1450nm 的衍射光谱，实现了波长及角度相关的远场强度分布表征（图3）。图3b 模拟结果与图3a 测量结果数据吻合，证实了所设计的超表面能够获得可见到近红外的超宽带高角度衍射特性。在 440~780nm 可见波段和 964~1300nm 近红外波段，其异常反射效率均超过 50%，其反射效率峰值分别为 72%@550nm 和 72%@1150nm。

【总结】综上所述，作者利用一对相互关联的可见和近红外纳米天线进行垂直整合，获取可实现超宽带高角度异常反射的超表面结构，并对其进行了表征。本文所设计的超表面的工作带宽几乎是传统使用单一天线的两倍，其反射光以单衍射级进行高角分辨、超过 1000nm 的超宽光谱带宽范围的异常反射。基于其超宽带宽的显著特性，预计在-70° 的大反射角下，异常反射的效率仍保持 65% 以上。

图3，文章对复享光学FT-ARS表征的致谢

为了辅助类似从事超构材料、超表面研究的科研工作者，从实验和理论两个角度验证所设计超构表面的原理及可行性，复享光学提供的角分辨光谱设备 ARMS 和 R1 为客户在可见及近红外角分辨光谱表征提供了稳定、有效的实验手段，为该领域研究的快速进展提供了有力的保障。

【参考文献】
✽ Gao, Song, et al . "Vertically Integrated Visible and Near-Infrared Metasurfaces Enabling an Ultra-Broadband and Highly Angle-Resolved Anomalous Reflection." Nanoscale (2018).

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