撰稿|由课题组供稿
光学超表面上的液体浸润调控可以通过改变超表面微纳结构周围的环境折射率，来进行共振波长和振幅的控制，因此在光谱调控方面具有一定研究。然而，利用液浸方法实现主动式的光束或全息操控等功能，仍比较具有挑战性。
近期，武汉大学李仲阳课题组在《Advanced Optical Materials》上发表了研究论文“Actively Switchable Beam-Steering via Hydrophilic/Hydrophobic-Selective Design of Water-Immersed Metasurface”。该研究提出了一种在亲疏水结构上的液体浸润调控方法，并实现了主动式的光束偏折方向控制（见图1）。
图1. 基于亲疏水选择性可调控超表面的光束操控示意图
近年来，光学超表面的研究逐渐从对入射光的被动响应向主动控制发展，包括电控、光控、温控、机械和化学调控方法在内的多种超表面控制手段已被研究，多种可调控的光学现象或超表面器件得到实现。上述手段虽然增加了超表面的调控自由度，但对组成材料、结构设计或工作环境等方面仍存在附加要求，提高了应用难度。除上述方式外，基于超表面的浸润调控也是一种独特调控手段，它主要是通过改变环境折射率，从而调控结构的共振特性。液浸调控对外部条件的需求相对较少，此前的研究工作多集中于光谱控制，在相位控制方面仍待进一步研究。
研究团队对基于亲疏水超表面的浸润式主动光束操控进行了研究，可实现在干燥或浸润情况下对光束偏折反转的主动控制。
该超表面由下层亲水金属材料基底（铝）和上层含梯形槽孔阵列的疏水介质膜（PMMA）组成（见图2），其单元结构为PMMA膜上宽度渐变的梯形空气槽孔。不同于以往的液浸调控思路，该研究提出了一种由材料间亲疏水性差异造成的水在超表面上选择性浸润的结构假设。具体而言，设计的超表面结构采用亲水基底和含梯形空气槽孔的疏水层构成，当样品浸润时，水更易在梯形槽中聚集，从而形成选择性浸润，使超表面上的光学相位梯度会发生改变（见图3）。基于此调控设想，该研究进行了理论仿真和实验测量。其实验与仿真结果一致表明，干燥和浸润情况对应的远场反射角度发生了反转（见图4），并具有较好的级次对比度。此外，该研究还进一步通过循环性实验对样品的调控功能进行了重复性验证（见图5）。
综上所述，该研究尝试并实现了一种基于亲疏水超表面的浸润式主动光束操控的功能，验证了该独特调控手段的可行性，为液浸调控方法探索了新的途径。此浸润调控机制具有附加条件少、易于大面积实施等特点，在光束动态操控、定向发射、传感等领域具有潜在应用。
图2. (a)梯形槽孔阵列示意图；(b)单元结构示意图；(c)梯形阵列的扫描电镜图，标尺对应500 nm
图3. (a)显微实验测试示意图和(b)选择性浸润示意图
图4. 两种环境下的远场反射分布。(a, b, e, f)对应干燥情况；(c, d, g, h)对应浸润情况。(e, f, g, h)入射波长475 nm时的反射强度线图
图5. 475 nm入射波长下超表面反射强度分布的重复性测量结果
该论文的共同第一作者为武汉大学博士生李哲、万成伟和代尘杰，通讯作者为武汉大学李仲阳教授。武汉大学郑国兴教授和杭州电子科技大学张鉴副研究员也参与了该研究工作。该研究得到了武汉大学、武汉市科技局、杭州电子科技大学等单位的支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adom.202100297
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