前沿|Nature Nanotechnology：两个领域的融合，全新的可能- 大数跨境

首页

前沿|Nature Nanotechnology：两个领域的融合，全新的可能

两江科技评论

2022-09-28

导读：▲第一作者：Qitong Li 通讯作者：Mark L. Brongersma

▲第一作者：Qitong Li

通讯作者：Mark L. Brongersma

通讯单位：美国斯坦福大学

DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-022-01197-y

背景介绍

微流体(Microfluidics)有助于高度自动化地引导、混合和操纵微量液体，并有助于推进从培养细胞和生物学中的高通量诊断到用于合成化学的微反应器的各种技术。在单个芯片上集成光学和流体学所产生的巨大协同作用进一步扩大了可能性，因为液体可用于控制局部光学特性，相反，光也可用于监测液体内部的化学和生物过程。研究人员已经进行了初步尝试，将这种集成扩展到千兆赫和太赫兹范围内的基于超表面的平面光学，然而至今为止效果并不理想。

02

本文亮点

1. 在这里，本工作展示了光流体和超表面光学的融合如何为光场的动态控制带来概念上的新平台。本工作首先展示了超表面构建砌块，它们的散射特性对其介电环境具有极高的敏感性。

2. 接下来，本工作使用这些砌块在微流体通道内创建基于超表面的平面光学器件，从而引导具有不同折射率的液体来操纵它们的光学行为。通过该光学行为，本工作展示了超表面彩色像素以及按需光学元件的强度和光谱调谐。

3. 本工作最终在集成的元光流控平台中展示了自动化控制，以开辟新的显示功能。结合大规模微流体集成，本工作的动态超表面平面光学平台可以开辟动态显示、成像、全息和传感应用的可能性。

图文解析

▲图1. 一个综合的动态超表面光流控平台

要点：

1、图1a可视化了几个重要的动态控制功能，这些功能可以通过在微流体通道中加入硅(Si)超表面来实现。纳米结构被设计成通过使具有不同折射率的液体流过它们来实时改变它们的散射特性（n=1.0-1.7）。

2、图1b显示了单个蓝色像素的高反射“开启”状态和充满空气的通道(n=1.0)的各种特征，以及由n=1.7的液体流动导致的低反射率“关闭”状态。25×25 μm²超表面像素包含10000 Si纳米圆盘，但由于亚波长圆盘间距而呈现出光学均匀性。印刷的“斯坦福”字样突出了超表面“墨水”实现的亚微米分辨率。像素的切换需要反射率的大范围和宽带变化，这在本工作的光谱测量中很明显（图1c）。

3、其次，本工作用另一种超表面设计演示了反射像素的动态颜色调整。在光学反射图像（图1d）和测量的反射光谱（图1e）中，本工作观察到随着通道中的指数从1.0增加到1.7，可见光谱中颜色的逐渐调整。

4、第三，本工作展示了如何实现按需光学，其中光学功能可以按需打开和关闭。这需要对相控阵光学器件的衍射效率进行有效的动态控制。图1g显示，当n=1.0时，这些光学功能最初在整个可见频率范围内被关闭。随着本工作增加周围介质的折射率，它们可以逐渐打开。本工作定量测量了555 nm处入射强度从0.6%到14.4%的强度增加，衍射效率增加了24倍。

▲图2. Si超表面的动态反射率和颜色控制机制

要点：

1、为了实现上述功能，本工作利用可见光谱范围内由Si纳米盘阵列支持的几种光学共振的存在和强色散。本工作表明，这种动态移动和塑造光学共振的能力为以光谱相关的方式控制光的流动提供了一条有价值的新途径。

2、超表面元素的散射特性可以通过虚拟的电(J_s)和磁(M_s)表面电流来建模。它们的电场分布显示了所需的对称和反对称相位对称性（图2a）。随着周围介质折射率的增加，两种共振表现出明显不同的光谱位移和光学品质因数的变化。这可以归因于纳米盘的模态限制以及相邻盘之间的光学耦合的差异。后者在环境指数改变时通过介电屏蔽进行修改。

3、本工作发现，与电场被紧紧限制在纳米圆盘中的反对称模式相比，对称模式的电场在圆盘内具有三个波腹，并且更多地延伸到圆盘边界之外。这导致近场与电介质环境的强烈重叠，因此共振波长非常有效地移动。因此，对称模式比反对称模式表现出更强的光谱偏移。

4、同时，对于反对称模式，辐射耦合占主导地位，当有效晶格常数接近谐振波长时，这会导致品质因数的提高。最终，本工作可以实现两个主要光学共振的相对光谱位置和带宽的广泛调谐。这意味着在固定波长下，散射场的幅度和相位可以有很大的变化，可以用来控制反射、透射和吸收特性。

▲图3. Si几何相位超表面对相控阵光学器件的动态衍射效率控制和光谱控制机制

要点：

1、图3a说明了四种谐振模式的色散与周围介质的折射率。重要的是要注意，本工作在这些模拟中准确地包括了Si中的耗散吸收损耗。这在本例中尤为重要，其中幅度和谱宽的变化起着至关重要的作用。

2、接下来，本工作展示了如何利用模态色散的高级控制来通过复用两个几何相位超表面来光谱控制光学功能，这些几何相位超表面由不同尺寸的纳米块阵列组成，在不同波长下共振（图3c）。

3、图3d显示了两个不同环境中两个纳米谐振器阵列的模拟衍射效率光谱。两种类型的纳米块中的每一种的模态色散都经过精心设计，使得它们在“关闭”状态下都与绿光或红光产生微弱共振，但它们在"开启"状态下与某种颜色有效地相互作用，由相应波长的光学共振驱动。

4、图3e显示了在不同介电环境和照明条件下在超透镜的后焦平面拍摄的一系列光学图像，这证实了按需光学概念的有效性。本工作注意到，两个相控阵应用了不同的相位分布，确保了消色差聚焦。

▲图4. 在透明基板上集成动态超表面与可编程微流体

要点：

1、为了使这个多功能平台的优势更接近实际，本工作将本工作的动态超表面与可编程微流体腔系统集成在一起。这样的系统通过实时流动不同的液体（或空气）来按需控制纳米谐振器环境的折射率（n=1.0-1.7）。

2、本工作首先将100微米大小的几何相位超透镜（NA=0.45）与Y形微流体通道（图4a）集成，以研究液体的调制动力学。高指数油（n=1.70）和低指数液体清洁剂（HFE-7500，n=1.29）以交替方式泵入主通道，流量由穿过控制通道形成的两个气动阀控制。这可以通过改变液体的折射率来调制焦点的强度。

3、图4b显示了焦点的一系列光学图像，因为流过超透镜的折射率在高低之间交替以分别打开和关闭焦点中的强度。 结果表明，强度调制可以在100 ms（~10 Hz）内完成。

4、最后，本工作展示了动态、集成的元光流控显示功能。通过利用成熟的微流体阀门技术，本工作设计并制造了透明的超表面数字数字显示器（图4d）。该显示器由七个超表面条组成，其反射率可以通过一组阀门单独控制，这些阀门可以将油或空气输送到超表面区域。图4e显示了集成系统的光学图像，图4f显示了从显示器捕获的反射图像，清楚地展示了从0到9的所有不同数字。观察到的对比度在很大程度上与不使用偏光片的液晶显示器的性能相匹配，从而为在透明基板上实现超表面显示器开辟一条有希望的新途径。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-022-01197-y

Nature Nanotechnology同期点评：