由人造超构原子（meta-atom）构成的超构透镜（meta-lens）因其紧凑、灵活的波前整形能力而备受关注，其调控能力优于传统的体型光学器件。工作带宽是决定超构透镜在不同波长下性能的关键因素。依靠非局域效应工作的窄带超构透镜，可以有效地减少来自非共振波长的干扰和串扰，因此非常适合非线性生成和增强现实/虚拟现实（AR/VR）显示等专业应用。然而，非局域超构透镜需要在局域相位操控与非局域共振激励之间取得平衡，这涉及到品质因子、效率、操控维度与占位面积等因素之间的权衡。
据麦姆斯咨询报道，近日，来自香港城市大学（City University of Hong Kong）、台湾成功大学（National Cheng Kung University）和哈尔滨工业大学深圳研究生院的联合科研团队通过实验演示了具有惠更斯连续域束缚态（BIC）的非局域超构透镜及其在近红外成像中的应用。研究人员对全介质集成谐振单元（IRU）进行了特别优化，以有效地诱导准BIC效应和广义Kerker效应，同时确保了产生几何相位的旋转角度鲁棒性。实验结果表明，单层非局域惠更斯超构透镜的品质因子高达104，透射偏振转换效率达到55%，超过了理论极限的25%。此外，研究人员还演示了波长选择性二维聚焦与成像。这项工作将为高效的非局域波前整形和超构器件的发展铺平道路。这项研究成果以“Nonlocal meta-lens with Huygens’ bound states in the continuum”为题发表在Nature Communications期刊上。
图1阐明了从局域响应过渡到非局域惠更斯响应的超构透镜之间的区别，尤其是兼有高品质因子和高效率的超构透镜。因此，设计同时具有高品质因子和高效率的非局域惠更斯超构透镜至关重要，这将显著地提高聚焦与成像质量。
图1 局域、非局域以及非局域惠更斯超构透镜的示意图
图2a展示了非局域惠更斯超构透镜的构建单元示意图。图2b展示了该研究设计的IRU的透射光谱。根据图2c所示的场分布，研究人员观察到在与磁偶极子（MD）共振相关的波长处存在两种类型的圆形电场和单向磁场。这种特性继承可能在主导MD与其他正向辐射的多极模之间产生干扰，最终导致广义Kerker效应的出现。
图2 非局域惠更斯超构透镜中IRU的设计
图3a至图3c是该研究制备的三种样品的SEM图像。图3d至图3f显示了这三种超构透镜的模拟透射光谱和实验透射光谱（TLR和TLL）。值得注意的是，实验结果与模拟结果非常吻合，表明两个数据集之间具有很强的一致性。
图3 非局域惠更斯超构透镜的光谱响应
最后，研究人员利用如图3a中制备的超构透镜来证明其波长选择性聚焦与成像的能力。图4a显示了带编码旋转角度的超构透镜单元的布局图。与图4a相对应，图4b是直径为90 μm的超构透镜的光学显微图像。如图4f所示，该超构透镜的高品质因子实现了具有波长选择特性的成像。
图4 非局域惠更斯超构透镜的波长选择性聚焦与成像
综上所述，这项研究提出了由IRU构成的非局域惠更斯超构透镜的概念，并展示了其在近红外区域波长选择性成像领域的实用性。实验结果表明，非局域惠更斯超构透镜既能获得104的高品质因子，又能达到55%的透射转换效率，超过理论极限的25%。这种非局域惠更斯超构透镜可用于有源、集成以及时变的超构器件，为实时显示系统的选择性成像提供了广阔的前景。在非局域惠更斯超构透镜中融合高品质因子、高效率、二维且紧凑的波前整形技术，有望为窄带工作的超构透镜发展铺平道路。这一进步促进了超构透镜在非线性生成、量子源以及AR/VR显示等各领域中的应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50965-y
延伸阅读：
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