光的偏振是一種有價(jià)值的信息通道，在光學(xué)器件中得到了廣泛的研究。但是，目前在開發(fā)易于集成和大規(guī)模生產(chǎn)的低折射率對(duì)比度、大面積手性超構(gòu)器件（meta-device）方面的進(jìn)展非常有限。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，香港城市大學(xué)（City University of Hong Kong）的科研團(tuán)隊(duì)在Advances Functional Materials期刊上發(fā)表了以“Nanoimprint Meta-Device for Chiral Imaging”為主題的論文。該論文的第一作者為Jing Cheng Zhang，通訊作者為蔡定平教授（Din Ping Tsai）和彭慧芝教授（Stella W. Pang）。

這項(xiàng)研究報(bào)道了一種具有大面積、寬波段的手性操縱的手性成像超構(gòu)器件，采用納米壓印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)摩爾紋（Moiré）超構(gòu)器件。該研究討論了近場(chǎng)的坡印亭矢量（Poynting vector）和奇異性特征以及遠(yuǎn)場(chǎng)的手性光學(xué)響應(yīng)。所提出的摩爾紋超構(gòu)器件可以實(shí)現(xiàn)超過10%的圓二色性（CD）。研究人員演示了利用CD機(jī)制的進(jìn)一步手性成像，有望為包括加密與安全、材料科學(xué)、生物化學(xué)以及醫(yī)學(xué)等各應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)巨大潛力。

摩爾紋超構(gòu)器件由兩層SU-8超構(gòu)表面（metasurfaces）組成，這些超構(gòu)表面以帶有方形納米柱的六角晶格排列，如圖1a所示。接著，研究人員展示了具有精心設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)的低折射率材料基超構(gòu)器件，可以在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)中有效地操縱光。圖1b顯示了扭轉(zhuǎn)的超構(gòu)器件生成的摩爾紋圖像。圖1c是計(jì)算所得的超構(gòu)器件局域電場(chǎng)分布，并觀測(cè)到與實(shí)測(cè)周期相似的摩爾紋。具有低折射率對(duì)比度的超構(gòu)器件通常被認(rèn)為對(duì)光具有有限操縱。具有兩層納米柱的摩爾紋超構(gòu)器件的制備流程如圖2a-2h所示。為了將頂部納米柱堆疊在底部納米柱上，采用了反向納米壓印技術(shù)。

圖1 手性成像超構(gòu)器件

圖2 具有兩層納米柱陣列的摩爾紋超構(gòu)器件的制備流程示意圖

在這項(xiàng)研究中，研究人員還展示了精心設(shè)計(jì)的低折射率對(duì)比度超構(gòu)器件可以有效地操縱光。圖3說明了器件在近場(chǎng)中具備的光操縱和奇異性特征的獨(dú)特能力。圖4a顯示了計(jì)算所得的遠(yuǎn)場(chǎng)中摩爾紋超構(gòu)器件的CD信號(hào)圖。CD信號(hào)的大小可通過比較入射圓偏振光在遠(yuǎn)場(chǎng)正入射下的正常透射對(duì)比度來(lái)確定。超構(gòu)器件的光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖4b所示。摩爾紋超構(gòu)器件獲得的手性圖像如圖5所示。

圖3 摩爾紋超構(gòu)器件在近場(chǎng)的光操縱和奇異性特征

圖4 摩爾紋超構(gòu)器件在遠(yuǎn)場(chǎng)的手性光學(xué)響應(yīng)

圖5 扭轉(zhuǎn)角度為57.8°的摩爾紋超構(gòu)器件的手性成像

綜上所述，這項(xiàng)研究表明，低折射率對(duì)比度的摩爾紋超構(gòu)器件表現(xiàn)出了令人滿意的品質(zhì)，如寬波段與可調(diào)諧能力、可大規(guī)模生產(chǎn)以及易于集成等。利用壓電性可以誘導(dǎo)機(jī)械形變，從而調(diào)節(jié)摩爾紋超構(gòu)器件的扭轉(zhuǎn)角。超構(gòu)表面可以通過施加壓電力來(lái)實(shí)現(xiàn)特定角度的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所需CD值的實(shí)時(shí)操縱。這種能力釋放了超構(gòu)器件中可調(diào)諧性和柔性的潛力。制備的厘米級(jí)摩爾紋超構(gòu)器件利用了先進(jìn)的納米壓印技術(shù)，為生產(chǎn)工業(yè)級(jí)組件提供了包括高分辨率、低成本和大規(guī)模生產(chǎn)能力在內(nèi)的多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。該研究對(duì)采用納米壓印技術(shù)制備的低折射率對(duì)比度超構(gòu)器件的光操縱能力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明它可以在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)有效地操縱光。手性成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的超構(gòu)器件在加密、安全、材料科學(xué)、生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)等各類應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大潛力。

審核編輯：劉清