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上海理工大学太赫兹技术创新研究院在太赫兹高分辨成像取得系列研究进展
发布时间:2021-04-19 20:00:38 阅读:403

来源:上海理工大学太赫兹技术创新研究院

    超构表面由亚波长的准二维微结构按照特定的排列方式构成,可以很灵活的调控电磁波的波前能够获得高质量的亚波长甚至突破衍射极限的聚焦光斑,并有效的将传统三维“体”功能器件的功能用平面“flat”器件实现,有效的提高了功能器件的可集成度,为今后的系统的小型化和集成化提供了一个全新的解决方案。近年来,上海理工大学太赫兹技术创新研究院的臧小飞、朱亦鸣教授等人在庄松林院士的指导下发展了基于超构表面的系列平面透镜 (如偏振可控的超构表面透镜,长焦深超构表面透镜,单向超构表面透镜等)并应用于太赫兹高分辨成像。相关研究在科技部重点研发计划(2017YFF0106300,2017YFA0701005,2018YFF01013003),国家自然基金重点项目(3218302024)和科技部人才计划以及优秀青年科学基金项目(3119302003, 3218302015, 3220302008)等支持下共发表SCI一区论文7篇,详细进展如下:

    (1) 偏振可控的太赫兹超构表面透镜及高分辨成像

图1.偏振可控的超表面透镜:(a,b)双焦点聚焦和偏振旋转功能;(c,d) 太赫兹偏振依赖的高分辨扫描成像。

    如图1(a)为x-偏振入射的太赫兹波入射至所设计的超表面透镜的数值仿真;可以明显的发现,此时出射场中只有沿着y-轴方向偏振的聚焦光斑。同样,从图1(b)的实验可以看出—一束沿着x-偏振入射的太赫兹波入射至我们所设计的超表面透镜,聚焦光斑的偏振态沿着y-轴的方向,同样证明了我们所设计的超表面透镜同时拥有聚焦和偏振调控的功能。如图1(c, d)所示,被测的偏振依赖的样品,在前一个焦点处所成的像为”E”,而后一个焦点处所成的像为” ”,实现了偏振依赖的高分辨成像检测功能。

    (2) 太赫兹超构表面透镜焦深调控

    提出了纯几何位相的自旋解耦合的太赫兹超构表面透镜,实现了超构表面透镜对左旋圆和右旋圆偏振太赫兹波的同时聚焦;调节自旋解耦合超构表面透镜对左旋圆和右旋圆偏振太赫兹波的焦距,使得一对正交圆偏振的太赫兹聚焦光斑于一体,形成偏振无关的太赫兹聚焦光斑;进而融合焦深调控于此偏振无关的太赫兹超构表面透镜,形成偏振无关的太赫兹波的超长聚焦焦深(焦深可达23λ)的调控(如图2(a), 2(b)所示),实现纵向高分辨、高宽容性的扫描成像(如图2(c),2(d),2(e)所示).

图2. 偏振无关的太赫兹长焦深超表面透镜和纵向高宽容性成像。

    (3) 太赫兹超构表面透镜:单向聚焦调控

    当前,几乎所有的超构表面超透镜的研究所形成的聚焦光斑(例如,单个聚焦光斑,多个聚焦光斑,消除色差聚焦光斑以及宽带聚焦光斑)均表现为光路可逆的特性;即表现为无论从超构表面透镜的任何一面入射电磁波,均将形成聚焦光斑。就成像,探测而言此类超构表面透镜将没有任何“保密”特性。基于此,我们将传统聚焦透镜,1/2波片和光栅三个功能融合至双层超构表面,设计了厚度为25.2 μm的超薄的非对称超构表面透镜,实现太赫兹非对称聚焦功能(如图3)。

图3.单向聚焦超构表面透镜场分布:(a1),(b1)为0.6THz的太赫兹波分别从背面和正面入射的场分布;(a2),(b2)为在各自透射面聚焦平面上的场分布。

    (4) 太赫兹超构表面透镜:突破衍射极限的超聚焦太赫兹光斑

图4. 手性超构表面和太赫兹超聚焦光斑

    我们将超表面波前调控原理推广应用至太赫兹近场突破衍射极限的超聚焦光斑调控,通过设计手性依赖的超表面结构并结合相干效应将聚焦的等离基元发射至自由空间,形成单频点偏振可控且突破衍射极限的太赫兹超聚焦光斑(FWHM~0.38λ)(如图4所示);相关研究结果有望应用至太赫兹超分辨成像。

    (5) 太赫兹超构表面综述进展:

    研究院受Light: Advanced Manufacturing (光:先进制造)的邀请发表了题为“Metasurfaces for manipulating terahertz waves”(基于超构表面的太赫兹波调控)的综述论文。论文综述了近年来太赫兹领域内超构表面波前调控的相关原理,功能设计和应用;以共振型、几何位相型和可调型超构表面为载体,以波前调控所实现的相关功能为主线,总结了超构表面对太赫兹波的聚焦调控、全息产生,偏振调控、特殊波束产生以及可调谐功能等方面的研究工作。该工作受到了美国物理学家组织网的关注和报道(https://phys.org/news/2021-03-metasurfaces-terahertz.html)

    以上相关研究成果:

    [1] Xiaofei Zang, Bingshuang Yao, Lin Chen, Jingya Xie, Xuguang Guo, Alexei V. Balakin, Alexander P. Shkurinov, Songlin Zhuang, “Metasurfaces for manipulating terahertz waves,” Light: Advanced Manufacturing 2:10 (2021).
    [2] Xiaofei Zang, Weiwei Xu, Min Gu, Bingshuang Yao, Lin Chen, Yan Peng, Jingya Xie, Alexey V. Balakin, Alexander P. Shkurinov, Yiming Zhu, Songlin Zhuang, “Polarization-insensitive metalens with extended focal depth and longitudinal high-tolerance imaging,” Advanced Optical Materials 8(2), 1901342(2020).
    [3] Bingshuang Yao, Xiaofei Zang, Zhen Li, Lin Chen, Jingya Xie, Yiming Zhu, Songlin Zhuang, “Dual-layered metasurfaces for asymmetric focusing,” Photonics Research 8(5), 830(2020).
    [4] Xiaofei Zang, Bingshuang Yao, Zhen Li, Yang Zhu, Jingya Xie, Lin Chen, Alexey. V. Balakin, Alexander. P. Shkurinov, Yiming Zhu, SongLin Zhuang, “Geometrric phase for multidimensional manipulation of photonics spin Hall effect and helicity-dependent imaging,” Nanophotonics 9(6), 1501-1508(2020).
    [5] XiaoFei Zang, Hongzhen Ding, Yuttana Intaravanne, Lin Chen, Yan Peng, Jingya Xie, Qinghong Ke, Alexey V. Balakin, Alexander P. Shkurinov, Xianzhong Chen, Yiming Zhu, Songlin Zhuang, “A multi-foci metalens with polarization-rotated focal points,” Laser & Photonics Reviews 13, 1900182 (2019).
    [6] Xiaofei Zang, Yiming Zhu, Chenxi Mao, Weiwei Xu, Hongzhen Ding, Jingya Xie, Qingqing Cheng, Lin Chen, Yan Peng, Qing Hu, Min Gu, Songlin Zhuang, “Manipulating terahertz plasmonic vortex based on geometric and dynamic phase,” Advanced Optical Materials 7, 1801328(2019).
    [7] Xiaofei Zang, Fengliang Dong, Fuyong Yue, Chunmei Zhang, Lihua Xu, Zhiwei Song, Ming Chen, Pai‐Yen Chen, Gerald S. Buller, Yiming Zhu, Songlin Zhuang, Weiguo Chu, Shuang Zhang, Xianzhong Chen,“Polarization encoded image embedded in a dielectric metasurface,” Advanced Materials. 30, 1707499 (2018).
    [8] Xiaofei Zang, Chenxi Mao, Xuguang Guo, Guanjun You, He Yang, Lin Chen, Yiming Zhu, and Songlin Zhuang, “Polarization-controlled terahertz super-focusing”, Appl. Phys. Lett. 113, 071102(2018).

 
 

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