光學(xué)超曲面在Li-Fi和激光雷達(dá)上進(jìn)一步發(fā)展

Caltech

一種新的可調(diào)智能表面可以將單個光脈沖轉(zhuǎn)換為多個光束，每個光束都指向不同的方向。原理驗(yàn)證的發(fā)展為通信、成像、傳感和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一系列創(chuàng)新打開了大門。

這項(xiàng)研究來自加州理工學(xué)院應(yīng)用物理學(xué)和材料科學(xué)教授Harry Atwater的實(shí)驗(yàn)室，由于一種稱為超表面的納米工程材料，這項(xiàng)研究成為可能（https://spectrum.ieee.org/metasurface-optics-for-better-cellphone-cameras-and-3d-displays）。Atwater團(tuán)隊(duì)的研究生Prachi Thureja說：“這些是人工設(shè)計的表面，基本上由納米結(jié)構(gòu)圖案組成。所以這是一系列納米結(jié)構(gòu)，每個納米結(jié)構(gòu)基本上都能讓我們局部控制光的特性。”

該表面可以每秒重新配置數(shù)百萬次，以改變其局部控制光的方式。這足夠快，可以操縱和重定向光，用于光數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用，如光空間通信和Li-Fi，以及激光雷達(dá)。

香港城市大學(xué)電氣工程副教授Alex M.H.Wong表示：“（超表面）在控制光線方面帶來了前所未有的自由。能夠做到這一點(diǎn)意味著可以將現(xiàn)有的無線技術(shù)遷移到光學(xué)領(lǐng)域。Li-Fi和LIDAR就是最好的例子。”

超曲面消除了對透鏡和鏡子的需求

操縱和重定向光束通常涉及一系列傳統(tǒng)透鏡和鏡子。這些透鏡和鏡子的尺寸可能很微小，但它們?nèi)匀皇褂孟袼鼓鶢柖蛇@樣的材料的光學(xué)特性（https://en.wikipedia.org/wiki/Snell%27s_law），該定律描述了波陣面通過不同材料的過程，以及波陣面如何根據(jù)材料本身的特性重新定向或折射。

相比之下，這項(xiàng)新工作提供了通過半導(dǎo)體材料電操縱材料光學(xué)特性的前景。結(jié)合納米級鏡元件，可以使扁平的微觀設(shè)備表現(xiàn)得像透鏡一樣，而不需要彎曲或彎曲的玻璃長度。新的超表面的光學(xué)特性可以使用電信號每秒切換數(shù)百萬次。

“與我們的設(shè)備不同的是，通過在設(shè)備上施加不同的電壓，我們可以改變鏡子發(fā)出的光的輪廓，即使在物理上它沒有移動，”論文合著者Jared Sisler說，他也是Atwater小組的研究生。“然后我們可以像控制電子可編程鏡子一樣控制光線。”

該器件本身是一個每側(cè)尺寸為120微米的芯片，通過在氧化銦錫半導(dǎo)體層中嵌入微小的金天線表面來實(shí)現(xiàn)其光操縱能力。操縱半導(dǎo)體兩端的電壓會改變材料彎曲光的能力，也稱為折射率（https://en.wikipedia.org/wiki/Refractive_index）。在金鏡元件的反射和半導(dǎo)體的可調(diào)折射能力之間，許多快速可調(diào)的光操縱成為可能。

Sisler說：“我認(rèn)為使用固態(tài)超表面或光學(xué)設(shè)備在太空中引導(dǎo)光線并將其用于編碼信息的整個想法 —— 從技術(shù)上講，如果你能實(shí)現(xiàn)更高的調(diào)制率，你就可以發(fā)送更多的信息。但由于這是一個新的領(lǐng)域，我們設(shè)備的性能更多的是為了展示原理。”

超曲面開辟了許多新的可能性

Wong說，這一原理表明，在他所說的可能是近期超地表開發(fā)和發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，未來將出現(xiàn)一系列技術(shù)。Wong說：“超曲面可以是平的、超薄的、輕便的，同時它可以實(shí)現(xiàn)一系列彎曲的透鏡通常實(shí)現(xiàn)的功能。”科學(xué)家們目前仍在探索超表面為我們提供的巨大可能性。

“隨著納米制造技術(shù)的進(jìn)步，具有比波長小得多的小特征尺寸的元件現(xiàn)在可以可靠地制造，”Wong繼續(xù)說道，“超表面的許多功能正在被例行演示，不僅有利于通信，還有成像、傳感和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域……我知道，除了學(xué)術(shù)界的興趣外，工業(yè)界的各種參與者也非常感興趣，并在推動這項(xiàng)技術(shù)走向商業(yè)化方面進(jìn)行了大量投資。”