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我校材料系李贵新课题组在《自然综述:材料学

2019-05-18 13:00

近日,我校材料科学与工程系李贵新副教授应邀在《Nature Reviews Materials》杂志发表了题为Nonlinear Photonic Metasurfaces (非线性光学超构表面)的综述文章。

近日,南方科技大学材料科学与工程系副教授李贵新课题组在《Nano Letters》杂志(影响因子:12.712)发表了两篇非线性光学超构表面领域的最新研究成果。李贵新为两篇论文的通讯作者。

光学超构材料(Metamaterials)的快速发展为人类提供了在亚波长尺度下调控光的传播的丰富手段。很多新奇的光物理现象,例如负折射、超分辨透镜和隐身斗篷等都可以通过设计功能基元的有效介电常数来实现。在光波段,三维纳米加工的困难和金属结构的光损耗不利于超构材料的广泛应用。自二维超构表面(Metasurface)概念提出以来,超构表面在降低三维超构材料加工难度、提高光学效率方面,特别是控制光的功能基元的几何位相等方面取得了众多突破性进展。近来,超构表面在高效率全息成像、超薄光学波片、高数值孔径的平面透镜等领域已经表现出极高的应用潜力。超构表面的研究进展极大丰富了利用超构功能基元实现对电磁场 (可见光、近红外光,太赫兹、微波等波段) 进行调控的手段,为设计新型光学元件提供了新技术。

贝里于1984年提出的几何相位 (Geometric Berry Phase) 概念不仅在凝聚态物理、量子材料等领域有着重要意义,贝里及更早前的印度科学家Pancharatnam亦把几何相位应用到了光学范畴,即Pancharatnam-Berry Phase。近年来,贝里几何相位的概念被用于光学超构表面研究中,并实现了圆偏振光手性控制的平面透镜、螺旋光束产生、全息成像等功能。2015年,李贵新与合作者首次提出了非线性光学贝里几何相位的概念,并通过倍频与三倍频辐射过程在实验上验证了非线性光学贝里几何相位的存在[Li, G. X. et al. Nature Materials 14,607-612, 2015]。其工作机理是:具有自旋角动量的基波与具有 重旋转对称性的超构单元相互作用,只有谐波级次为n = jm ± 1的可以发生,这里j是整数,±代表基波与高次谐波的自旋角动量相同或者相反。假设超构单元的方位角为φ、基波的自旋角动量为(σћ),其对应高次谐波辐射的相位引子是:ei(n∓1)σφ。有了这一理论指导,我们可以通过简单旋转平面内超构单元的方向实现非线性极化率的相位从0 – 2π的连续可调。

当前,超构表面的研究主要集中在线性光学的范畴。但毫无疑问,非线性光学响应例如倍频、三倍频、光致折射率变化等过程,将为光学超构表面的功能基元赋予新的可调控自由度。此综述文章从非线性光学超构表面的材料选择、对称性,非线性手性光学超构表面,非线性光学相位调控,非线性光光束调控,光开关与调制五个方面详细介绍了非线性光学超构表面的最新进展。文章最后对非线性光学超构表面在太赫兹非线性光学、量子信息处理等领域的潜在应用的前景作了展望。

研究成果一是通过超构表面实现对非线性倍频光子的自旋、轨道角动量的同时调控。光子的角动量表现为自旋和轨道角动量,即Spin and Orbital Angular Momentum。早在1909年英国科学家波印亭就提出,左旋圆偏振与右旋圆偏振光携带的自旋角动量分别为±ћ。人们逐渐认识到光的自旋角动量不但存在,而且可以解释很多物理现象。例如,光对各向异性介质施加的扭矩、塞曼能级劈裂、旋转多普勒效应等。直到1992年,Allen等人才指出的光还可以携带另外一种角动量,即轨道角动量。从数学公式上来看,携带轨道角动量的螺旋光束的电场相位因子带有eilφ项,其中lφ分别是拓扑量子数和波前平面的几何角度。理论上讲,轨道角动量了的量子数可以无穷多,因而可以为光信息编码提供无穷多个自由度。当前,光的轨道角动量在经典与量子光通信、光镊等领域引起大家的广泛兴趣。

本篇论文是国际合作的结果。论文作者包括我校的李贵新副教授、英国伯明翰大学物理与天文学院张霜教授、德国帕德博恩大学物理系Thomas Zentgraf教授。在过去几年中,此团队在超构表面领域于NaturePhysics, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, PRL等高水平期刊发表了多篇原创研究工作。

图片 1图1:非线性超构表面产生倍频光SHG的自旋、轨道角动量的的示意图

研究工作获得中组部青年千人计划支持。

超构表面由具有三重对称性的C3功能基元组成,携带拓扑电荷数q。根据我们的初步推断,对于具有两个自旋角动量状态 的基波 入射到超构表面上,产生的倍频SHG具有与基波的相反的自旋角动量;同时携带与基波自旋角动量、超构表面的拓扑电荷数有关的轨道角动量。

图片 2

在本项研究中,李贵新课题组把具有C3旋转对称性的超构单元按照一定序构排列起来形成圆形的超构表面,超构表面携带的拓扑电荷为q,理论分析表明这类超构表面上产生的非线性谐波的自旋和轨道角动量分别为:s = ±σћln = (n∓1) σqћ。对应倍频谐波情况:s = -σћlSHG = 3σqћ。因此,结合光的自旋角动量控制的非线性几何相位与拓扑电荷的概念,可以通过超构表面上实现对非线性谐波辐射过程中光的自旋、轨道角动量的同时控制。了解了相关物理机制,为如何在微纳尺度上产生并控制光的自旋、轨道角动量两个维度,设计高密度、多功能光信息处理芯片等奠定重要科学与技术基础。该论文研究成果由新加坡南洋理工大学罗宇教授课题组、英国伯明翰大学张霜教授课题组、香港大学李文迪教授课题组、南科大电子系刘言军教授课题组、南科大材料系黄思雅博士等共同参与完成。

文章链接:Li, G., Zhang, S. & Zentgraf, T. Nonlinear photonic metasurfaces. Nat. Rev. Mater. 2, 17010 .http://www.nature.com/articles/natrevmats201710

研究成果二是关于非线性光学超构表面:图像加密新方案。如下图所示。

李贵新课题组:光学材料与超构材料实验室

图片 3图2: 用于非线性光学倍频技术加密的光学超构表面 白光、红色激光照明,样品均匀图像显示; 在红外飞秒激光照射下,可从非线性倍频信号提取出字母 META

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