原子薄透镜的激子共振调谐

时间:2020-05-09 19:58 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

原子薄透镜的激子共振调谐

自20世纪70年代衍射光学元件的发展以来,研究人员越来越多地发现了复杂的光学基本原理,以薄而轻的光学元件取代现有的笨重光学元件。最近的尝试已经产生了包含由密集的金属或半导体纳米结构阵列构成的平面光学的纳米光子元表面。这种结构可以有效地控制基于等离子体或三重谐振腔的局部光散射相位和振幅。科学家们已经研究了这两种类型的谐振,以实现小形状因子光学,提供多功能性和跨光场的控制。虽然这种超表面函数一直保持静态,但对于新兴的光子应用,如光方向和测距(LIDAR)的三维(3-D)映射,实现动态控制是非常必要的。电浆子和三重共振只能提供微弱的电可调性,但数十年的光学调制研究表明,激子操纵可以更强地控制材料的光学性质。

激子在光波面处理中所起的关键作用还有待于用原子厚度的光学元件来理解和证明。在最近发表在《自然光电子》杂志上的一项新研究中,Jorik van de Groep和一组斯坦福大学高级材料和中佛罗里达大学光学与光电子学院的研究人员设计了一种可主动控制的原子薄光学元件。他们直接从一层二硫化钨(WS2)上雕刻出基板。材料在可见光谱范围内表现出较强的激子共振。不同于以往设计几何谐振天线尺寸和形状的方法,该团队设计了由二维(2-D)激子材料制成的超表面,通过改变材料的共振。通过优化二维材料的排列,他们实现了特定的光学功能——实现共振和可调谐的光-物质相互作用。

原子薄透镜的激子共振调谐

可调原子薄带板透镜

为了强调激子共振在平透镜操作中的重要性,研究小组将WS2的环看作是由入射平面波驱动的散射场源。局部产生的散射场与WS2材料的极化成正比,科学家预计在激子共振附近的散射最强,那里的复电极化率(记为x)最大。实验装置使用高质量的去角质材料实现了更高的聚焦效率,其中激子线宽明显减小。

虽然这种透镜对于非共振波长几乎是肉眼不可见的,但它可以从周围环境中获取重要信息,使聚焦的强度远远超过入射平面波的强度。聚焦效率的谱依赖性依赖于WS2单分子层的复杂材料磁化率。科学家们无法从实验上分离出散射场,但他们收集了大范围内的弱散射光,并在很大程度上基于WS2材料确定了实验区域板的高聚焦强度。

原子薄透镜的激子共振调谐

该团队通过电选门改变WS2材料的激子共振来控制透镜的聚焦效率。为此,他们分析了诱导反射率的变化从一个简单的20 x 20μm2广场补丁单层WS2隔绝,作为应用栅电压的函数。他们观察到激子共振被完全移除,从而产生了磁化率最大的可能变化之一。这种激子抑制也是完全可逆和高度可复制的。这些观察结果突出了激子共振相对于等离子体和mie型共振的好处,这两种共振都更难调节和抑制。

然后,研究人员利用激子共振的巨大可调性来控制透镜焦点的强度。为了了解聚焦效率谱,他们实验测量了聚焦功率作为归一化到带板透镜上的功率入射波长的函数。结果表明,聚焦激子光散射控制了衬底的直接透射。当研究团队对WS2/石墨烯异质结构施加3伏栅偏置以抑制激子共振时,他们观察到激子线被完全抑制。然后利用激子共振的可逆切换,恢复中性共振态。

原子薄透镜的激子共振调谐

结果与贴片反射测量中线宽变窄的观察结果一致。由于商用WS2材料质量相对较差,测量的聚焦效率相对较低且受到限制。例如,小片状二烯化钼(MOSe2)的高质量封装单层膜可以实现高达80%的光学反射率。因此,科学家可以通过提高WS2等高质量的单分子层过渡金属双卤代烃(TMDCs)的大面积生长来显著提高聚焦效率。

研究团队对激子共振进行了室温、大面积的主动操作,演示了在二维材料区板式透镜焦点上的动态光强控制。它们可重复地在激子主导态和激子失稳态之间切换,实现对激子光散射幅值的主动控制。反应时间和不对称性的设置是由于离子传输有限的复杂的形成和由于拆卸的离子-液体电双层。因此,科学家们建议实施固态门控方案,而不是离子液体门控,以增加数量级的设备响应时间,目前由于制造方面的挑战,这是有限的。

原子薄透镜的激子共振调谐

用这种方法,Jorik van de Groep和他的同事证明了激子材料共振对操作原子薄光学透镜的重要性。他们设想,更先进的带有局部和交错选通电极的选通方案将促进具有更复杂功能(如可调焦距或光束控制)的激子光学器件的发展。这项工作开辟了一个全新的方法来设计动态平面光学和元表面的应用,在自由空间的光束窃听,波前操纵和增强/虚拟现实。

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