可提供纳米级光控制的可重构超表面

近日，来自北京理工大李家方团队的研究人员设计出了一种可以在像素级上进行控制和编程的电机械可重构超薄光学元件。这些多功能的超表面可以提供一种新的基于芯片的方法来实现纳米级的光控制，这可能会带来更好的光学显示、信息编码和数字光处理。

“超表面是一种超薄而紧凑的光学元件，可以用来操纵光的振幅、相位和偏振，”研究团队负责人李家方教授说。“尽管大多数超表面是静态、被动的，但我们创造的超表面可以在静电力的作用下机械变形。”

在OSA的《Optics Express》杂志上，研究人员描述了他们是如何利用纳米级技术创造出新的超表面，他们的灵感来自“剪纸艺术”，剪纸是折纸的变体，包括了切割和折叠。这使得他们能够创造出微小的单元，当施加电压时，它们可以从2D设计转变为3D结构。 李家方教授说：“我们使用我们的可重构超表面创建了一个动态全息显示，这些光学元件可能会用以制造具有光学多任务处理和可重写功能的新型设备。例如，实时3D显示器和高分辨率投影仪。”

为了创造新的超表面，研究人员设计了一个由两个螺旋组成的重复的二维图形，将其蚀刻在金纳米膜上，并悬浮在二氧化硅柱上。这些单元排列在一个正方形晶格中，每个单元之间只有两微米的空间。当施加电压时，螺旋线由于静电力而变形。这种变换是可逆的、可重复的，这种可逆变换可用于动态调制超表面的光学特性。

研究人员们使用他们的新方法制作了两种不同类型的超表面，用以逐像素控制光线。一个超表面使用相同的电压使每个单元变形，但具有不同结构模式的螺旋，从而产生不同的变形高度。第二个超表面使用不同的电压施加到每个单元，以实现相同结构模式的单元的不同变形高度。 研究人员使用这些超表面演示了光束控制和制作全息显示。

他们表示仅通过控制偏置电压就能利用超表面重建图像，从而证明了他们有效光调制方案的可行性。 研究人员还计划探索可用于实现像素化电压控制的方案，例如在商用OLED显示器中用于同时驱动多行显示器的多行寻址方法。为了使该技术更加实用，他们还在努力提高重构系统的信噪比和调制质量。

图:研究人员设计了具有二维螺旋的可重构元表面，当施加电压时它会变形。每个螺旋单元作为一个像素，可以独立地操作。