Nat. Commun.：用于宏观光学元件的弹性光学超材料

【引言】

许多先进的光学应用要求通过宏观光学元件控制可见光的传播。通过引入特定的渐变折射率，不均匀的光子材料可以加工成透镜和其他光学元件。经过人为设计结构，超材料能够表现出难以在自然界中观察到的性质，例如实现具有梯度指数的超透镜和光学掩蔽。传统的纳米制造技术昂贵且耗时，使得光学超材料几乎只在微观尺度上有应用。典型的光控制体积被限制为10λ×10λ×10λ。此外，微观光操作设备通常依赖于衍射现象，受带宽限制。如果光学超材料在消费者价可承担的价格下大量生产，将为光子市场提供新商机。

【成果简介】

近日，韩国延世大学Kyoungsik Kim教授（通讯作者）使用弹性光学超材料的概念，展示了可见光波长范围内宏观的（435mm）波束偏转器（293mm²）和Luneburg透镜（855mm²）。实验结果表明，光控和重定向体积可达10⁵λ×10⁵λ×10³λ，这使得自然光可以被基于超材料的光学器件直接加工而没有任何额外的耦合部件。该成果以“Scalable variable-index elasto-optic metamaterials for macroscopic optical components and devices”为题于2017年7月12日发表在期刊Nature Communications上。

【图文导读】

图1：弹性光学超材料和Luneburg透镜的概念图

（a，b）弹性光学超材料的变形。立方体中的绿色杆表示由具有空气孔隙的不可压缩介电材料制成的网状结构单元；

（c）电场分布和使用常规超材料制成的Luneburg透镜示意图。制作过程困难，光控体积小于10λ×10λ×10λ；

（d）弹性光学超材料制成的Luneburg透镜示意图。弹性形变过程简单，光控体积大于10⁵λ×10⁵λ×10³λ。

图2：透明和可压缩气凝胶，具有测量和计算性能

（a）直径8厘米，厚1厘米的可压缩透明块状气凝胶的照片。插图显示了具有84％孔隙率的纳米多孔网状结构的SEM图像；

（b）测量的光透射率和反射率显示在可见光谱中3mm厚的气凝胶具有良好的透明度；

（c）633nm（红色），589nm（黄色），523nm（绿色），473nm（蓝色）和400-700nm（黑色）的气凝胶的衰减系数分别为0.039mm^-1，0.055 mm^-1，0.080 mm^-1，0.109 mm^-1和0.069mm^-1 ；

（d）白光在气凝胶中传播的光学图像；

（e）变形前（左）和变形后（右）的可压缩气凝胶（红色虚线框）的照片，压缩比为1和0.5；

（f）使用COMSOL测量方法，计算得到变形气凝胶的有效折射率与TE（红色圆圈）和TM（黑色方形）极化的压缩比（J）。

图3：波束偏转器和Luneburg镜头的设计和压制过程

（a，b）波束偏转器（a）和光学Luneburg透镜（b）上传播光线的COMSOL模拟结果；

（c，d）虚线表示初始均匀气凝胶的横截面，实线表示压缩后的横截面形状，以获得设计压缩比和上表面的有效折射率分布。这些设备在厚度不超过t时正常工作。热色条表示压缩比；

（e，f）在弹性变形之前，为每个装置设计压模（灰色）和均质气凝胶（绿色）。

（g，h）通过在Z方向压制均匀的气凝胶，实现TO波束偏转器和光学Luneburg透镜的压缩。适当变形的气凝胶具有所需的压缩比和折射率分布。热色条表示压缩比。

图4：宏观可见波偏转器的实验演示

（a）波束偏转样本的照片，比例尺的尺寸为20mm。气凝胶块参数：外径46mm，内径37mm，厚度5mm。光束从右侧红点A处入射；

（b）来自太阳模拟器的平行白光束入射并沿偏转器传播，满足TO设计；

（c）对照组：光线在45°偏转器中沿直线传播；

（d）对照组：光线在连续均匀的气凝胶块中沿直线传播，气凝胶块无机械变形；

（e）横截面图像；

（f）光束在输出表面（b、c、d中的红色边缘）的强度分布；

（g）各种波长激光束（633nm，598nm，523nm和473nm）沿波束偏转器入射并传播，满足TO设计。

图5：宏观可见的Luneburg镜头的实验演示

（a）具有中心孔（直径5mm）的Luneburg透镜样品（直径33mm）的照片；

（b）白色光束（红色箭头）沿y方向入射，入射位点为x方向（7，11，15mm），光束被重定向到输出表面宽焦点位置；

（c-f）不同波长激光束（633nm，598nm，523nm和473nm）入射并重定向到输出表面上类似的宽焦点位置。

【小结】

研究中的弹性光学超材料可用于开发具有很大的横向面积、横向厚度和体积的光学器件，超过传统光学超材料器件尺寸许多数量级。该技术能够精确地控制宽达10¹³λ³体积的宽带光传播（例如，10⁵λ×10⁵λ×10³λ）。使得自然光直接与超材料装置相互作用，不再需要任何附加的耦合部件。

文献链接：Shin D, Kim J, Kim C, et al. Scalable variable-index elasto-optic metamaterials for macroscopic optical components and devices[J]. Nature communications, 2017, 8: 16090.

本文由材料人编辑部周梦青编译，点我加入材料人编辑部。

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