飞秒激光各向异性打印金属铝等离子多功能超表面- 大数跨境

两江科技评论

2019-05-05

导读：近期，暨南大学光子技术研究院李向平团队在超短脉冲激光超表面打印技术方面的研究中取得重要进展，利用紧聚焦的单个飞秒脉冲对“十字铝-二氧化硅-铝膜”的三明治结构进行直接辐照，通过控制飞秒单脉冲的偏振方向，

导读

近期，暨南大学光子技术研究院李向平团队在超短脉冲激光超表面打印技术方面的研究中取得重要进展。他们提出利用紧聚焦的单个飞秒脉冲对“十字铝-二氧化硅-铝膜”的三明治结构进行直接辐照，通过控制飞秒单脉冲的偏振方向，利用金属铝的高电子晶格耦合系数，实现了复杂金属铝结构的各项异性形貌的精确操控，从而实现了全可见光的多功能超表面功能性器件。该项工作的成果近期以“Full-visible multifunctional aluminium metasurfaces by in situ anisotropic thermoplasmonic laser printing”发表在Nanoscale Horizons （IF: 9.391）上，并被选为期刊封面。暨南大学光子技术研究院的副研究员张轶楠博士为论文第一作者，李向平教授为通讯作者。此外，澳大利亚新南威尔士大学合作者也为这项研究做出了贡献。

研究背景

近年来，由亚波长的超构原子组成的超表面结构由于具有强大的光场调控能力，逐渐成为一种平面光学元件的新范式。尤其是由多组超构原子组成的多功能超表面进一步增强了超表面的功能性应用，从而吸引了越来越多的人关注。超表面通常需要利用复杂和昂贵的电子束曝光或者离子束刻蚀技术制作复杂的纳米结构，并且不利于后续的个性化定制。激光打印利用局部的光热效应为等离子结构制备提供了一种低成本大面积的后续个性化定制技术手段。然而传统的激光打印等离子结构通常采用的是金和银金属结构，在激光光热作用下，结构的温度迅速上升，达到一定阈值之后发生融化，在表面张力收缩作用下最终融化成球形。因此难以实现形貌的精细调控，并且形变的发生是各向同性的，很难覆盖到整个可见光波段。

创新研究

该项研究打破了现有的各向同性激光打印等离子结构的局限性，提出一种全可见光各项异性的精细等离子结构激光打印方法。具体来讲，该研究通过设计一种金属铝十字结构的金属介质金属（MIM）等离子初始纳米结构，控制入射飞秒单脉冲激光的偏振方向和能量对组成十字结构的双臂进行精细的形貌操控，利用纳米尺度上双臂的热等离子效应以及金属铝的强电子晶格耦合系数（大于金和银一个数量级）实现了各向异性的形貌操控（图一a, b）。基于此形貌操控可以实现双模式的超表面显示功能（图一c）。等离子共振效应会同时产生振幅和位相的调制，因此可以将基于振幅调制的结构色图案和基于位相调制的全息图案通过飞秒激光分别记录在组成十字结构的两个组成臂上。该超表面在普通的非相干白光照射下，在反射通道上显示出一副彩色图案，当切换成相干的激光照射时，在衍射通道上面会观察到另一幅全息图案，从而实现了信息的隐藏，将全息图案隐藏于彩色图案中。

图一基于各向异性超快激光打印的全可见光多功能超表面概念

图二显示了所设计的金属铝十字结构在飞秒单脉冲作用下正交的两个纳米棒可以进行无串扰的精细形貌操控。通过控制飞秒单脉冲的能量，被加热的纳米棒在表面曲率驱动下发生原子的扩散，能够在低于金属熔点温度下实现低温的形貌变化。研究发现，金属铝在脉冲激光作用下，温度在两个皮秒的超短时间尺度内迅速上升到峰值位置，比金和银温度上升所需要的时间快了一个数量级，这非常有利于金属纳米结构的原位加工。另一方面，通过扩散到达正交的非加热的纳米棒上的热量比较小，造成其温度上升较小，从而导致的形貌变化很小，甚至难以观测到形变，从而实现飞秒单脉冲对双臂无串扰的调控。同时可以观测到被加热的纳米棒所对应的等离子共振波长从初始的720纳米蓝移到450纳米附近，实现青色到品红再到黄色的全可见光的调控。而未被加热的纳米铝棒等离子共振波长几乎不发生移动，颜色保持为初始的青色不变。

图二飞秒单脉冲激光对金属铝十字结构的各项异性形貌操控

飞秒单脉冲激光诱导的各向异性形变使得后续定制组成十字结构双臂的两个纳米棒实现偏振控制的多功能显示超表面成为现实。图三a-c显示了一种隐形显示超表面，蝴蝶彩色图案和袋鼠全息图案可以通过建立激光加工参数和颜色及位相的关系来分别记录在双臂上。通过切换普通白光和相干激光两种照明光源从而实现在反射通道和衍射通道上两幅图像的切换和重现，实现双模式的显示和信息的隐藏和加密。类似地，两幅全息图或者两幅彩色图案也可以被记录在十字结构的双臂上，通过切换光源的偏振方向实现双色显示或者双图案显示的功能（图三d-g）。