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▌MetronLens 在微型可調式艾里光束超構器件中的應用
利用 MetronLens? 對微型超構器件超表面的相位分布表征
超表面
微型器件
可調式艾里光束
超構器件
相位分布表征
【概述】艾里光束因其無衍射、自加速和自修復等獨特性質引發了廣泛的研究興趣。自被發現以來，人們對可調諧艾里光束的需求不斷增加，目前已經發現該光束可對其傳播軌跡進行精確控制，能夠沿著指定曲率路徑對空氣或液體中的粒子進行光學操縱，并具備穿越障礙物的能力。以往，艾里光束的產生和調諧通常依賴復雜的光學透鏡系統和空間光調制器（SLM），這類技術手段在實現精確控制和功率輸出相關需求上面臨限制，并且也難以實現緊湊化和和集成化的光學系統。
最近，香港城市大學的蔡定平教授和哈爾濱工業大學（深圳）的肖淑敏教授在 Opto-Electronic Advances 雜志上聯合發表了一篇題為《Miniature tunable Airy beam optical meta-device》的研究文章。該研究利用雙層全介質超構器件生成可調諧的艾里光束，通過旋轉超構器件中的兩個超表面改變相位面來動態地操縱艾里光束的軌跡，實驗結果與理論預測的艾里光束的強度分布和傳播軌跡高度吻合，驗證了這一超構器件的可行性和靈活性。
【樣品 & 測試】該超構器件由兩片具有不同的非晶二氧化鈦（TiO2）圓柱形納米棒陣列的超表面組成，納米柱陣列周期為 300nm，單片超表面直徑均為 1mm，工作波長為 532nm， TiO2 柱直徑從 50nm 到 113nm 逐漸變化，相位覆蓋 2π（圖2a）。如圖2d、2g所示，通過使用復享光學的 MetronLens 對兩片超表面的相位分布進行測量，證實了設計和制造之間的高度一致性。
圖2，超構器件的表征（a）超表面納米天線的光學特性。?當直徑從50nm變化到113nm時，其相位可以包含完整的2π周期。（b~h）、（e~f）分別是第一片和第二片超表面的設計相位分布結果、光學顯微鏡照片、實驗測量的超表面的相位分布、超構器件的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。 比例尺：100μm，其中相位實驗測量利用復享光學的MetronLens
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作者通過上述超表面疊加組成超構器件，旋轉改變兩個超表面之間的角度改變其相位對艾里光束的方向進行調諧，并通過兩組菲涅耳衍射算法模擬和實驗結果對該方法進行驗證，理論仿真結果和實驗結果分別如圖2a~c 和圖2d~f 所示。其中，圖2a 和圖2d 兩個疊加超表面的旋轉角度分別為均為 0π 和 0π 、-π/2 和 π/2 ，對應的理論結果（圖3b、e）和實驗測量結果（圖3c、f）高度吻合，都顯示出艾里光束方向和受控軌跡被有效調諧，說明這一超構器件在艾里光束調諧中的可行性。
圖3，旋轉兩個超表面改變其相位，對艾里光束調控的仿真和實驗結果。（a~b）兩個超表面的旋轉角度均為0π時，兩個超表面疊加時獲得的相位及其對應的仿真結果，（c）實驗結果；（d）當旋轉角度分別為-π/2和π/2時，兩個超表面疊加時獲得的相位，（e）旋轉角度設置為（d）時的仿真結果，（f）實驗結果。
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在超構器件相位的前沿應用探索中，實驗表征是直接獲得這類樣品相位分布的最佳方式和重要證明手段。復享光學的超構透鏡光學檢測系統MetronLens，是面向超構透鏡、超構表面、微透鏡陣列等平面光學元件的全球首款專用光學檢測系統，可在 μm 尺度下實現超構表面、超構透鏡等微納光學元/器件的相位分布、光場分布和遠場分布的原位檢測，揭示平面光學元件的多項性能指標，為驗證其設計、制備提供強有力的檢測工具。
【總結】通過利用超表面構建實現微型可調式艾里光束超構器件，具有小型化、易集成和易控制的優勢，在光學控制、激光加工等應用中具有巨大潛力，利用實驗手段對其中的超表面進行相位分布表征驗證其設計、制備具有重要意義。復享光學的超構透鏡光學檢測系統MetronLens ，使得對超表面的相位分布直接表征成為可能。展望未來，復享光學的相位分布表征技術將持續在微納光子學研究領域發揮關鍵作用，進一步推動光子學的進步。▌
圖4，文章對復享光學 MetronLens 的標注
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【參考文獻】
? Zhang JC, Chen MK, Fan YB,;et al. Miniature tunable Airy beam optical meta-device. Opto-Electronic Advances (2024). Link
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