从超构表面到超构透镜，揭秘镜头的变革之路！(5)

第一作者Lininger表示：“超构表面目前应用所面临的一部分问题是，它们的形状在生产环节就已经固定，但是“通过实现超构表面的可重构性，可以突破这些限制。””

近年来，已经进行了许多尝试来设计可重配置系统，包括机械方法、热方法和基于外部电压的方法。

Giuseppe Strangi 在观察超透镜阵列

图源：Case Western Reserve University

研究人员通过控制液晶liquid crystals(LCs)，让这些新型超构透镜向着新的科技方向发展，以产生可重构的结构光。LCs在外部刺激（例如电场、磁场、温度、应变等）下会经历导致LCs折射率变化的分子重新定向从而表现出刺激响应。

该研究采用传统的夹层LC单元制造可重构光学器件，其中两块板之一涂有超表面。与涉及体积较大的LC单元的这些实现相反，这项工作中利用金属元素的润湿特性，以光学活性双折射和粘弹性LCs代替平面纳米结构之间的空气。

这种实现方式允许控制金属层中的相位和幅度分布，从而限制了铺设在超构表面上方的厚LCs平板不可避免的光学变化。通过利用浸润的LCs光学特性，可以显著改变透射场，并进一步控制。

如图6所示，团队发现了向列型液晶在纳米结构二氧化硅金属平面的非平凡浸润。他们通过利用纳米力使液晶在这些微柱之间浸润，从而使微柱以全新的方式塑造和衍射光线，即通过“调节”聚焦力来做到这一点。

图6 金属超表面液晶浸润现象

图源：PNAS (2020) 117:34, - (Fig.1, Fig. 2)

进一步地，研究团队证明了浸润后金属元素光学响应的可测量变化。由于可以通过外部刺激来控制液晶的依赖于取向的光学特性，因此该技术可以潜在地实现金属元素光学响应的动态控制（图7）。

图7 液晶浸润超表面实验和评估

图源：PNAS (2020) 117:34, - (Fig.2, Fig. S1 )

最后，研究团队利用超构表面的润湿特性，使纳米柱状平面超构表面被各种向列液晶（NLC）浸润。这种浸润是通过竞争力的组合来解释的，即毛细管力和阻力流体动力。由于LC是一种双折射复杂流体，因此超表面的润湿会引起局部和全局顺序的折射率图改变，进而改变透射电磁场的相位和幅度。

作者利用具有不同折射率和双折射的三种向列型液晶实现了纳米结构金属表面的非平凡浸润。观察到每种液晶浸润后金属离子聚焦的显着变化。这些光学变化是由于浸润后围绕金属结构的局部折射率的改变而引起的。同时分析结果证实了光学实验与有限差分时域求解（FDTD）仿真结果的定性一致性（图8）。

图8 超表面液晶浸润光学性质和模拟分析

图源：PNAS (2020) 117:34,- (Fig.3, Fig. 5)

研究团队通过利用液晶浸润的超构表面并与方向有关的折射率的固有可调谐性相结合，证明了金属系统在超构表面中实现动态可重构性的巨大潜力。

上述这些结果证实了结合浸润的金属元素的焦点FWHM的增加和Strehl比的降低，焦点距离的增加证明了通过浸润不同有效折射率的LC可以显着改变光学性能。充分表明浸润过程中和浸润后对LC取向状态的控制对于超构表面的光学可重构性至关重要。LCs作为浸润液体的主要优势是完善的对准和取向控制方法。其中包括传统的电压和光场偏置方法，以及专为动态光对准设计的化学表面处理。这些有望成为将来在金属系统中提供可重构光学特性的方法。

Strangi表示：“这只是第一步，然而使用这些透镜有很多的可能性。我们已经在联络对这项技术感兴趣的公司。”

Capasso将用液晶浸润超透镜的创意归功于 Strangi，并表示这项创新代表朝着更伟大的目标迈出了一步。Capasso 表示：“我们用液晶可再生产地浸润最先进的超构透镜（由一亿五千万个纳米级直径的玻璃柱制成）以及显著改变其聚焦特性的能力，预示着我所期待的振奋人心的科技未来将从可重构的平面光学中产生。”

通过元透镜的光线被数百万纳米结构所聚焦

图源：

文章来源：《中国表面工程》 网址: http://www.zgbmgc.cn/zonghexinwen/2020/1103/336.html