PhotoniX 论文集锦：超材料与纳米光子学专题

NO.1 

Electric field enhancement of coupled plasmonic nanostructures for optical amplification

等离子体“机缘”耦合与光场调控

作者

Jun Hyun Kim, Ja Yeon Lee, Eung Soo Kim and Myung Yung Jeong*

单位

国立釜山大学，釜山外国语大学，ESPn医疗合作（译）

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PhotoniX4, 8 (2023). https://doi.org/10.1186/s43074-023-00086-4

概述

韩国国立釜山大学（PNU）、ESPn医疗以及釜山外国语大学的学者们，研究了金属基等离子体纳米结构（metal-based plasmonic nanostructure，MPN）来耦合电场实现光场调控，以提高光学成像系统的空间分辨率。基于偶极子纳米天线（dipole nanoantenna，DN）和光栅纳米结构（grating nanostructure，GN）理论设计了等离子体纳米结构，该结构基于SPR和各结构中电场的耦合与增强，可调控特定光信号并将其放大2.24倍。此外，当MPN应用于两个光学成像系统时，通过功能性近红外光谱技术（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）将光学信号放大106倍，就能分辨出原来与噪声相似的难以分辨的信号，从而获得更清晰的图像，并在荧光图像中增强特定波长。因此，这种纳米结构的提出增加了收集数据的效用，并可以调控增强光学、生物成像和生物学应用中的光学信号。相关成果以“Electric field enhancement of coupled plasmonic nanostructures for optical amplification”为题，于2023年2月8日发表在 PhotoniX 上。

NO.2

Manipulating light transmission and absorption via an achromatic reflectionless metasurface

消色差无反射超构表面对光的透射与吸收特性的自由调控

作者

郑晓颖，林婧，王卓，周昊阳，何琼，周磊

单位

复旦大学

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PhotoniX4, 3 (2023). https://doi.org/10.1186/s43074-022-00078-w

概述

复旦大学物理学系/应用表面物理国家重点实验室周磊教授团队从耦合模理论出发，建立起了能够描述双通道双模式耦合光子共振体系的理论方法，并结合数值模拟与光波段实验验证了该理论对于体系的响应预测与谱线设计能力，最终在特定条件下（Kerker条件）实现了超宽频带消色差无反射的超构表面器件，并在一定带宽范围内实现了光在透射通道和吸收通道之间的能量自由切换。相关成果以“Manipulating light transmission and absorption via an achromatic reflectionless metasurface”为题于2023年1月6日在线发表在 PhotoniX 期刊。

NO.3

Self-induced transparency in a perfectly absorbing chiral second-harmonic generator

在完美手性吸收二次谐波发生器中的自诱导透明

作者

侯建坤，林锦添，朱杰夫，赵国林，陈耀，张方醒，郑远林，陈险峰，程亚*，葛力，万文杰*

单位

上海交通大学，华东师范大学

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PhotoniX3, 22 (2022). https://doi.org/10.1186/s43074-022-00068-y

概述

材料对电磁能量的吸收是许多应用的基础现象，近年来，研究人员发现通过控制入射波之间的干涉，可以实现对电磁辐射的完全吸收，这类系统被称作相干完美吸收体（CPA），其在光学信息处理，能量存储，光电探测，光学传感等领域有广泛的应用前景。上海交通大学万文杰教授团队联合华东师范大学程亚教授团队，用实验演示了一个完美吸收光学微腔的自诱导透明效应，该微盘腔系统在线性条件下完全吸收低功率入射波，但增大输入功率后，基频光波与二次谐波之间的非线性耦合打破了相干破坏的条件，系统变为部分透明。此外，研究人员还利用微腔表面附着的散射颗粒破坏微腔的手性对称性，使系统具有非对称性散射特征，然后通过相位变化实现了对完美吸收态的手性相干控制。这种相干控制可以进一步扩展到二次谐波，从而产生具有高分辨比的二次谐波手性激发。这些结果在其他具有非线性的物理系统中具有普遍性。研究工作于2022年10月以 “Self-induced transparency in a perfectly absorbing chiral second-harmonic generator” 为题发表于 PhotoniX 期刊。

NO.4

Planar metasurface-based concentrators for solar energy harvest: from theory to engineering

平面超表面太阳能聚光器

作者

张琤，湛雨杰，邱用雪，许蕾蕾，官建国*

单位

武汉理工大学

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PhotoniX3, 28 (2022). https://doi.org/10.1186/s43074-022-00074-0

概述

光学超表面是由亚波长尺度的人工原子组成的平面结构。它们显示出按需操纵电磁波的非凡能力，从而为通过人工原子和入射波之间的强耦合生成离散相位分布提供了一种全新的方法。光学超构透镜，即超表面聚光器，显示出通过设计构建单元来实现对角度色散和频率色散控制的巨大潜力。因此，它们有望取代传统的透镜和镜子，进行有效地捕获宽带、广角的太阳光，而无需复杂的太阳光跟踪系统，以产生成本效益高的电力。此外，它们比太阳能集热系统中使用的曲面透镜或反射镜更适合开发紧凑型平台。2022年11月29日 PhotoniX 期刊在线发表了以武汉理工大学张琤副教授为第一作者，武汉理工大学材料学科首席教授、长江学者特聘教授官建国为通讯作者，题为“Planar metasurface-based concentrators for solar energy harvest: from theory to engineering”的综述论文。文章系统地总结了超构透镜的设计原理和不同波段下的构建材料，重点介绍了超构透镜聚焦效率、工作带宽和角度稳定性三个方面的影响因素，以及大面积超构透镜的制备方法，并阐述了用于太阳能收集的超构透镜的未来发展趋势和挑战。

NO.5

Plasmonic anapole metamaterial for refractive index sensing

等离激元anapole超构材料传感器

作者

Jin Yao (姚金)，Jun-Yu Ou (欧俊裕)，Vassili Savinov，Mu Ku Chen (陈沐谷)，Hsin Yu Kuo (郭信佑)，Nikolay I. Zheludev* and Din Ping Tsai*(蔡定平*)

单位

香港城市大学，英国南安普顿大学，新加坡南洋理工大学

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PhotoniX 3, 23 (2022). https://doi.org/10.1186/s43074-022-00069-x

概述

等离激元超构元件可在纳米尺度增强光与物质的相互作用，对环境变化等外部扰动具有很高的灵敏度，在传感领域具有广阔的应用前景。香港城市大学电机工程系蔡定平教授课题组在 PhotoniX 上发表了题为Plasmonic anapole metamaterial for refractive index sensing的文章。该篇文章在光学频段实验证实了等离激元anapole超构材料传感器。通过集成两个谐振单元并调控其相互作用，有效地激励了anapole模式并获得了更高的谐振品质因子和局域电磁场增强。在环境折射率传感应用方面，实验上获得了330 nm/RIU的高灵敏度和8.7×10^-5 RIU的探测极限。这种超构元件为动态调控anapole模式提供了新思路，可广泛应用于生物传感和光谱学。

NO.6

Metasurface with dynamic chiral meta-atoms for spin multiplexing hologram and low observable reflection

用于自旋复用全息与降低反射探测性的动态手性超构表面

作者

王贺，秦喆，黄玲玲*，李勇峰*，赵睿哲，周宏强，贺昊阳，张介秋，屈绍波

单位

北京理工大学，空军工程大学

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PhotoniX3, 10 (2022). https://doi.org/10.1186/s43074-022-00057-1

概述

基于手性超构表面对圆极化电磁波的调控是目前的热点之一。其中，圆二色性是手性结构所能产生的独特现象，在人工电磁材料领域得到极大的关注。其被认为是电磁调控的辅助维度，但目前仍是一个项具有挑战性的课题。2022年4月，北京理工大学黄玲玲教授课题组与空军工程大学屈绍波教授课题组合作在 PhotoniX 期刊发表论文“Metasurface with dynamic chiral meta-atoms for spin multiplexing hologram and low observable reflection”，此工作将手性结构与有源器件相结合，在微波频段产生明显的圆二色性。通过外加电压驱动，实现自旋复用全息成像与低可探测性反射的功能动态切换。所提出的策略可用于拓展动态手性超表面的研究，有望应用于信息加密、防伪、拓展信息容量和动态自旋复用调控中。

NO.7

Spontaneous emission in micro- or nanophotonic structures

微纳光子结构中自发辐射

作者

钱祉源，单凌霄，张昕辰，刘旗，马筠，龚旗煌，古英*

单位

北京大学

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PhotoniX2, 21 (2021). https://doi.org/10.1186/s43074-021-00043-z

概述

片上单光子源是集成量子信息及其可扩展量子网络的基本组成部分。基于腔量子电动力学的自发辐射增强是制备单光子源的关键原理之一。由于微纳光子结构中独特的光场局域模式，集成在其中的单量子体系自发辐射速率可以被有效的调控。随着片上单光子源的发展需要，利用微纳光子结构的腔模来增强自发辐射变得越来越重要。同时，微纳尺度单光子源的研究也成为量子科学和微纳光子学的重要交叉领域。北京大学物理学院古英教授团队于2021年9月16日在 PhotoniX 上以” Spontaneous emission in micro- or nanophotonic structures（微纳光子结构中自发辐射）”为题发表文章，综述了近年来利用微纳光子结构（如回音壁腔、光子晶体、表面等离激元结构、超材料及其杂化结构等）增强自发辐射的最新理论和实验进展。

NO.8

Dielectric metasurface zone plate for the generation of focusing vortex beams

用于产生聚焦涡旋光束的介质超构表面波带片

作者

胡玉峰，刘萱*，靳铭珂，唐宇涛，张学才，李敬辉，赵艳，李贵新*，周静*

单位

北京师范大学，南方科技大学

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PhotoniX2, 10 (2021). https://doi.org/10.1186/s43074-021-00035-z

概述

北京师范大学物理学系周静教授课题组与南方科技大学材料科学与工程系李贵新教授课题组合作于2021年6月在 PhotoniX 期刊上发表了题为“Dielectric metasurface zone plate for the generation of focusing vortex beams”的论文。该论文基于菲涅耳波带片的概念设计了一种新的介质超构表面，用于生成、聚焦涡旋光束，并对携带不同轨道角动量的涡旋光束实现同轴干涉。这些功能是通过将涡旋光束的螺旋相位分布编码到超构表面的奇数带和偶数带区域中来实现的。论文所提出的聚焦涡旋光束实现方法结合了传统相位型菲涅耳波带片和超构表面的优点，为设计新型衍射光学元件提供新的思路。

NO.9

Displacement-mediated bound states in the continuum in all-dielectric superlattice metasurfaces

全介质超晶格超表面中基于位移调控的连续体束缚态

作者

史坦, 邓子岚*, 涂清安, 曹耀宇,李向平

单位

暨南大学

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PhotoniX2, 7 (2021). https://doi.org/10.1186/s43074-021-00029-x

概述

连续体中的束缚态（BICs）是在连续光谱范围内与扩展波共存的局域态，具有无限的寿命，没有任何辐射。为了从BIC中提取高Q准BIC共振以供实际应用，通常采用对称性破缺的方法，即打破激发场对称性或结构对称性的方式来提供局域态与外界的耦合。暨南大学纳米光子学研究团队于2021年4月25日在 PhotoniX 期刊在线发表论文“Displacement-mediated bound states in the continuum in all-dielectric superlattice metasurfaces”。本论文介绍了一种基于相对位移调控的全介质超晶格超表面，它可以将BIC态对称兼容地转换为高Q的准BIC模。该超表面是由多个纳米棒组成的超晶格，支持磁模和环形模，具有很大的可调性。这两种模式都可以通过介质纳米棒之间的位移来与入射光连续体相互作用，从而实现具有高Q因子的双Fano共振，在生物分子传感和低阈值激光等领域有着广泛的应用前景。

NO.10

Nonlinear meta-optics towards applications

面向特定应用的非线性超构光学

作者

赵云，杨原牧*，孙洪波*

单位

清华大学

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PhotoniX 2, 3 (2021). https://doi.org/10.1186/s43074-021-00025-1

概述

非线性光学在激光频率转换、超快电光调制和全光调制等诸多领域都有着广泛的应用。然而传统的非线性体晶体为了获得较高的频率转换效率，通常需要借助相对复杂的相位匹配技术。另一方面，非线性材料自吸收往往会限制非线性光学器件的工作带宽。近年来，由亚波长天线或薄膜构造的超构光学结构在非线性光学领域的应用吸引了人们的广泛关注。利用金属或介质超构表面以及介电常数近零光学薄膜等超构光学结构，可在亚波长尺度实现对光场的极大增强，从而增强非线性光与物质相互作用，突破传统非线性光学晶体在特定应用中的局限。清华大学孙洪波教授团队于2021年4月19日在 PhotoniX 期刊在线发表论文“Nonlinear meta-optics towards applications”。本综述论文主要聚焦于超构结构在几类特定非线性光学领域的应用，包括电场诱导的二次谐波产生、纠缠光子对产生、太赫兹产生、超快全光调制和高次谐波产生。作者认为在这些应用中，超构光学结构相比传统非线性光学晶体具有潜在的独特优势。