【摘 要】
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超表面是二维形态的超材料,通过在平面上周期或非周期排列人工设计的亚波长电磁结构,能够灵活控制电磁波的强度、相位、偏振、频率、角动量等特性。相比于传统块体光学器件,光学超表面具有轻薄小巧、易于集成的特点,在光电探测、成像和传感等领域具有较好的应用潜力。近年来,为应对多维探测、全光调制、自适应光束偏转、变焦透镜等应用需求,人们开展了对光学功能可重构的超表面器件研究,并已初步实现原型验证。在可重构超表面
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超表面是二维形态的超材料,通过在平面上周期或非周期排列人工设计的亚波长电磁结构,能够灵活控制电磁波的强度、相位、偏振、频率、角动量等特性。相比于传统块体光学器件,光学超表面具有轻薄小巧、易于集成的特点,在光电探测、成像和传感等领域具有较好的应用潜力。近年来,为应对多维探测、全光调制、自适应光束偏转、变焦透镜等应用需求,人们开展了对光学功能可重构的超表面器件研究,并已初步实现原型验证。在可重构超表面中,基于VO2相变材料的可重构超表面具有调谐范围大、调谐速度快、功耗低和全固态等优势,然而,相关器件仍存在低效率和调控维度单一等问题,制约了其实际应用。因此,发展低损耗、大调谐范围的新型VO2基薄膜材料,设计制备高透过率、多维度可调控的超表面新结构是该技术发展的重要方向。本文针对VO2基可重构超表面的“高效率”和“多维度”调控问题开展研究。在材料方面,通过第一性原理计算和掺杂改性对VO2材料进行能带裁剪,发展了低损耗、大调控范围VO2、Mg掺杂VO2薄膜及制备方法。在器件方面,基于表面等离激元超表面的光学异常透射（extraordinary optical transmission,EOT）效应和Si/VO2全介质谐振结构,显著提高了器件的透过效率和调谐动态范围;并分别基于VO2的金属-绝缘相变机制和Si/VO2光栅结构,发展了偏振可调控和相位可调控超表面器件。最后,还通过范德华异质结辅助转移打印方法实现了VO2薄膜在柔性基片上的转移,为VO2基可重构超表面的共形集成和应用提供了新思路。本文的主要工作内容如下:1.基于第一性原理计算和掺杂改性对VO2材料进行能带裁剪,发展了低光学损耗、大调控范围的VO2及Mg掺杂VO2薄膜及制备方法。计算和实验结果表明VO2能带结构受氧含量和Mg元素掺杂调控。Mg掺杂VO2使得导带中态密度能量分布更加局域,材料金属态的光学损耗显著降低。实验上制备了多晶、外延VO2薄膜和Mg掺杂VO2外延薄膜。VO2薄膜在1550 nm波长处透过率为0.46,折射率调控幅度Δn=1,Δ=2.42,与国际报道最优水平相当。Mg掺杂VO2进一步提升了VO2在长波红外波段的相变优值,较VO2在7.5μm波长处优值提升3.7倍。2.基于表面等离激元超表面的EOT效应,研制了Au/VO2全光开关。基于VO2的金属-绝缘相变控制EOT效应实现了透过率的全光调控。利用表面等离子谐振引发的电场增强以及热电子注入效应,在100 fs时间尺度引发VO2的超快相变。在2200 nm波长实验实现了3.3 d B插损,12.7 d B动态调制范围的全光开关,并较VO2薄膜降低了50%的光开关功耗。3.基于VO2薄膜的金属绝缘相变特性,研制了VO2基偏振可调超表面。利用VO2光栅绝缘-金属相变,在中红外波段实现了器件从高透过到线偏滤波特性之间的调控,在11mm波长处,器件介质态透过率达到82%,金属态偏振度达到5.6。本文进一步验证了器件在中红外偏振成像系统中的应用。4.研制了基于Si/VO2周期纳米圆柱结构全介质可重构超表面,通过VO2的相变对Mie谐振的不同模式进行调控,在中红外频段实现了器件的低损耗和大幅度动态调控。根据Mie谐振模式分布特点,通过在Si纳米柱中部和底部引入VO2薄膜,实现了对磁谐振模式和电谐振模式的独立强度。5.基于Mo S2/Si O2范德华异质结的亲疏水特性,实现了VO2薄膜在PDMS柔性基片上的转移打印。通过数值仿真,设计了相位可调的VO2基柔性可重构超表面,发展了器件对10.6mm波长中红外光束的可调聚焦功能。
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