Multifunctional metaoptics based on bilayer metasurfaces
You Zhou, Ivan I. Kravchenko, Hao Wang , Hanyu Zheng , Gong Gu
-- ||导读|| --
2019年9月4日美国范德比尔特大学机械工程系的研究人员在Light: Science & Applications上发表了多功能双层电介质表面的文章，以全息成像的方式，展现了该超表面在不同波长，不同偏振态下对相位，振幅波前的调控能力。
-- ||背景介绍|| --
光学超表面是一种平面纳米结构器件，为亚波长分辨率的光波前调控提供了一个多功能平台。过去的研究中已经证明了超表面能够成功的用于控制光的振幅、相位和偏振。由于超表面超薄的体积和与传统微纳加工技术的兼容性，使得超表面在透镜、分束器和波片等方面有希望成为传统光学元件的替代品。尽管与传统折射元件相比，超表面在厚度减小方面已经取得了成功，但由于在使用单层超表面时可调自由度有限，设计具有对相位、幅度和偏振独立控制的超表面仍然是一个挑战。例如，由于空间填充限制，多波长表面性能往往较差。当同时可以实现对相位和幅度的控制时，其调控往往又仅针对单个偏振。
-- ||创新与结论|| --
本文通过设计双层超表面，以扩大超表面的设计空间。独立控制每层的几何形状和功能的能力使得这种双层结构能够开发多功能超表面器件，包含独立设计的两种或更多种光学性质。本文展示了基于相位和幅度调控的多波长全息图、多波长波片和偏振不敏感3D全息图。这种双层超表面结构为设计具有多功能的复杂平面光学器件开辟了一条新途径。
-- ||图文一览|| --
图一 多波长全息、多波长波片和偏振不敏感3D全息工作原理示意图。
（a）多波长全息工作示意图，双层超表面使用半径不同的圆柱，分别对不同波长实现相位调控。
（b）多波长波片，不同波长实现半波片和四分之一波片功能。
（c）3D全息，第一片相位调控，第二片振幅调控，独立于偏振态。
小结：双层结构可以实现独立于波长的相位控制，独立于偏振态的相位控制，独立于相位的振幅控制，双层结构提供了更高的自由度，为多功能超表面的设计提供了设计基础。
图二 基于微纳结构的超光学基本单元的多波长设计曲线
（a） 基本单元示意图，周期600nm，高度750nm，包裹在聚合物里面双层结构半径不同。
（b） 1180nm的半径相位分布图。
（c） 1680nm的半径相位分布图。
（d） 1180nm的透过率相位分布图。
（e） 1680nm的透过率相位分布图。
小结：双层结构包裹在聚合物内，相位透过率都满足设计要求，没有特殊的设计思想。
图三 制造工艺和全息成像结果
（a） 加工步骤。
（b） 多波长全息成像仿真示意图。
（c） SEM图。
（d） 结构的光学图像。
（e） （f）全息成像仿真与实验图。
小结：双层结构贴合的方法在其他文献里都有出现过，全息成像效果也不错，主要是中央0级影响了成像质量，由双层之间大约3微米的错位引起。
图四 多波长超光学波片
（a） 微结构示意图。
（b） （c）仿真的90度偏振变化的相位传输效率曲线。
（d）（e）仿真的线转圆偏振变化的相位传输效率曲线。
（f）用于实现两个考虑波长的波片的所有组合的设计图。x和y轴分别对应于1200和1600nm处的半波和四分之一波片情况，颜色代表设计的纳米柱宽度和长度。
小结：实现了多波长的波片功能。
图五 偏振敏感相位振幅调制超光学器件
（a） （b）440nm高的硅柱相位透过率曲线。
（c）（d）750nm高的硅柱相位透过率曲线。
（e）双层结构透过率示意图。
（f）设计的相位分布图。
（i）设计的透过率分布图。
（g）（h）顶层光学图像和SEM。
（j）（k）底层光学图像和SEM。
小结：双层的功能不一样，分别进行设计，拼接后同时实现对相位和透过率的调制。
图六 轴向三维全息成像
（a） 仿真的不同轴向距离的成像图样。
（b） 实验的不同轴向距离的成像图样。
小结：中间的指针由相位调控实现旋转，亮度由第二片控制，实现了三维成像，效果较好，纳米盘层的结构灵敏度较高，导致振幅掩模误差，亮度分布不均匀。
-- ||点评|| --
看题目以为是一个器件实现多功能，结果是不同的器件，但是，文章设计的器件结构也不复杂，却能实现多功能；想多了解双层结构的固定于对准，文章里面也是用的常用的聚合物绑定，也没有具体讲到对准的工艺。总的来说还是对超表面器件的设计提供了一些思路。
https://www.nature.com/articles/s41377-019-0193-3
https://doi.org/10.1038/s41377-019-0193-3.
报告人：冯兴 时间：2019.9.10
