可重构超表面能否改变光学器件的未来？

光电汇王越编译 光电汇OESHOW 2022-05-18 17:53 Posted on 上海

长久以来，光学镜片技术的发展都是人类科学成就的重要标志，被广泛应用于眼镜、望远镜、照相机、显微镜以及半导体工业制造等众多领域。而在这一技术中，光学超表面无疑是近年来最具影响力的突破，它通过表面排列的图案化纳米结构可以对入射光进行任意的空间和光谱变换，可以以极小的体积实现绝大部分传统光学器件的功能。

自超表面被提出以来，已经被证明可以实现对光学波前的各种控制，其中超透镜便是其最重要的应用之一。然而目前大部分展示的超表面和超透镜都是无源的，这就导致了它们的性能在制造后无法被改变和调整。

为了实现这一功能，研究人员结合各种具有可调特性的材料平台（如透明导电氧化物、液晶、掺杂半导体和2D材料等）并通过各种电光、热光以及机械控制的方法实现了具有可调谐功能的超表面，但大多数现有的研究都存在相对较弱的光调制强度、低光学性能、低速调制和制造困难等限制。

为此，佐治亚理工学院的研究人员通过相变材料（PCM）设计了一种高光学调制效率且制备简单的可重构超表面，其相关内容已发表在Nature Communications中。

可重构超表面示意图

PCM是一种可以在加热和冷却过程中吸收和释放热量的物质，而且可以在热循环过程中从一种结晶状态转变为另一种结晶状态。此外，相比于金属、氧化物和半导体，他们还可以形成具有最小特征尺寸且调制效率极高的可重构超表面。

通过各种对比，研究人员选择了Ge₂Sb₂Te₅(GST)作为超表面的材料平台，并通过光学设计将其与下方的微型电微加热器结合，并以此实现对GST晶相的改变，从而使超表面器件的主动调谐成为了可能。实验证明，这种可重构超表面的绝对反射率对比度达到了80%，其连续光谱调谐范围达到了前所未有的250 nm，而且其切换速度也达到了几kHz。

可重构超表面的实物图

在设备小型化、系统集成以及选择性反射需求的推动下，超表面正在迅速取代过去传统的光学器件，未来将会对自动驾驶汽车的激光雷达系统、成像、光谱学和传感等技术产生直接影响。论文的通讯作者Adibi也表示：“随着平台的不断发展，可重构的超表面将随处可见，它们甚至可以让更小的内窥镜深入身体内部以获得更好的成像，并帮助医疗传感器检测血液中的不同生物标志物。”

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29374-6

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