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    蘇州納米所蔣春萍團隊在光學超構表面及其動態調控方面取得研究進展

      隨著新興光學技術對微型化、一體化、智能化光學系統的需求與日俱增,大大促進了納米光電子學的迅猛發展。光學超構表面是一種由亞波長結構單元按一定的排列方式組成的人工二維結構,為光場調控及光信息處理提供了一種全新的研究方式。其最大的優點是輕薄和易于集成。然而,這些亞波長結構單元一旦制備完成,便很難再改變其形貌或者尺寸,因而無法對其光學性能進行有效的動態調控,從而限制了其功能及應用范圍的進一步拓展。近年來,科學家們探索了實現光學超構表面性能實時調控的多種途徑,其中最引人注目的是將智能材料與光學超構表面相結合。中科院蘇州納米所蔣春萍研究員團隊與其他團隊合作,在光學超構表面及其動態調控技術研究方面取得多項進展。 

      在靜態全介質超表面方面,中科院蘇州納米所蔣春萍研究員團隊聯合所內測試平臺王淼博士以及中科院上海光機所胡敬佩副研究員,報道了一種非傳統的光學稀疏孔徑超構透鏡,如圖1所示。結合圖像重建相關算法,該稀疏孔徑超構透鏡僅利用了41%的加工面積,便獲得了與具有0.72mm孔徑的傳統全孔徑超構透鏡相媲美的成像能力,大大降低了制作成本。此外,該全介質非傳統光學稀疏孔徑超構透鏡在632.8nm光照下衍射極限分辨率為11.36μm,而且在任何偏振態的入射光下都可以實現相對較高的聚焦效率>50%。該研究成果的通訊作者為蔣春萍研究員、王淼博士以及胡敬佩副研究員,第一作者為蘇州納米所特別研究助理林雨博士,該工作High‐Efficiency Optical Sparse Aperture Metalens Based on GaN Nanobrick Array為題發表Advanced Optical Materials, 2102756, 2022。 

      1. (a) 稀疏孔徑超構透鏡結構示意圖;(b) 光學平面照片,SEM平面圖和截面圖;(c) 聚焦成像性能測試光路圖;(d) 器件實驗測試結果 

      在動態可調諧超表面方面,蔣春萍研究員團隊分別與山東大學宋愛民教授、清華大學楊帆教授以及南京大學王漱明副教授團隊合作,開展了智能材料PEDOT:PSS與光學超構表面相集成的電調控光學特性研究,取得系列進展: 

      團隊成員用電化學測試與光學測試相結合的方法對有機電化學聚合物材料PEDOT:PSS的電調控光學介電特性進行了詳細研究。首先使用旋涂法在惰性金屬電極上制備了均勻致密的PEDOT:PSS薄膜,然后在含有鈉離子的電化學池中對其進行梯度氧化和還原反應,并采用計時電流法研究了其電化學特性(圖2(a))。電化學實驗結果顯示,不同的工作電壓可使PEDOT:PSS薄膜處于不同的反應狀態(圖2(b))。然后利用PEDOT:PSS薄膜特有的雙穩態性質,通過橢偏儀研究了不同反應狀態下的PEDOT:PSS薄膜在整個可見光波段(400 – 800 nm)光學介電特性(圖2(c)),從而獲得了該薄膜在不同反應狀態下的折射率和消光系數(圖2(d))。該研究成果的通訊作者為蔣春萍研究員,第一作者為林雨博士,博士研究生趙永旻也做了相應貢獻,該工作以Electrical control of the optical dielectric properties of PEDOT:PSS thin films為題發表Optical Materials, vol.108, 2020。 

      2. (a) 電化學測試示意圖;(b) PEDOT:PSS薄膜材料在不同工作電壓下的還原反應程度實驗結果圖;(c) 光學測試示意圖;(d) PEDOT:PSS薄膜材料在不同還原反應程度下的折射率和消光系數曲線圖 

      利用上述智能材料,團隊成員設計并制備了一種應用于可見光波段聚焦能量可調諧的超構透鏡,如圖3所示。通過將PEDOT:PSS和金屬納米天線結構相結合,研究了超構透鏡的電調控聚焦性能。發現該可調諧超構透鏡可以有效的對入射光進行聚焦,并且通過施加較小的工作電壓(<2.5V)就可對其聚焦能量進行實時動態調控,調制深度可超過90%。該調控過程是完全可逆的,而且不會影響超構透鏡的其他聚焦性能(焦距、焦點位置、聚焦模式均保持不變)。該研究成果的通訊作者為蔣春萍研究員和楊帆教授,第一作者為林雨博士,以Tunable electrochromic Au nanorod-based metalenses for visible light為題發表Optics Express, Vol. 29, No. 26, 2021。 

      3. (a) 可調諧超構透鏡結構示意圖;(b) 涂覆有PEDOT:PSS的超構透鏡的SEM平面圖和截面圖;(c) 器件測試光路圖;(d) 聚焦能量可調諧超構透鏡實驗結果圖 

      團隊成員還該智能材料與氧化銦錫(ITO)波導光柵相結合,基于導模共振效應,設計并制備了一種新型柔性全彩顯示器件。通過外加電壓調控ITO波導光柵陣列周圍的PEDOT:PSS材料的光學介電特性,由此實現彩色動態顯示效果(圖4(a)-(c))。該器件可以同時顯示紅、橙、黃、綠、青、藍等不同顏色,而且色域值大于70% NTSC,色彩純度(反射峰半高寬)為25nm ~35nm,調制深度可以達到78%-90%。該過程完全可逆,且具有良好的循環特性,響應時間小于1.3s,平均功耗低于3.28 mW/cm2。該研究成果的通訊作者為蔣春萍研究員、宋愛民教授以及王漱明副教授,第一作者為林雨博士,該工作以Electrically Switchable and Flexible Color Displays Based on All Dielectric Nanogratings為題發表ACS Applied Nano Materials, vol. 4, 2021。 

      4. (a) 器件設計與仿真;(b) 器件實物圖和SEM截面圖;(c) 器件全彩顯示性能測試 

      上述工作得到了江蘇省重點研發計劃項目,江蘇省自然科學基金青年基金項目和其他橫向項目的資助,同時也得到了中科院蘇州納米所納米真空互聯實驗站Nano-X、加工平臺和測試平臺的支持。 

    論文鏈接:論文1   論文2   論文3   論文4


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