爱情与科研共舞,哈工大伉俪携手Nature Nanotechnology !

2024-04-02
10:40:32
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今天,小编要向大家介绍来自哈尔滨工业大学(深圳)的一对才华横溢的科研伉俪——宋清海教授与肖淑敏教授。他们不仅在生活中是相互支持的伴侣,而且在科学研究的道路上也是彼此的最佳搭档。

宋清海哈尔滨工业大学,教授,博士生导师,国家自然科学基金杰出青年项目获得者主要研究方向是微纳结构中的光场调控。过去几年,针对微型激光的出射、模式控制以及其在通信和传感上的应用,展开了系统的研究,获得了一些光场调控的新机制、新方法,并拓展了一些微纳结构的新应用。相关研究成果在Science、PRL、Nat Comm、Science Advances、Adv Mater、ACS Nano、Nano Lett、LPR、Optica等高水平杂志上发表论文50余篇,受到了业内同行的好评,并被Science Daily、PhysOrg、Laser Focus World、Optics & Photonics News等国际知名科技传媒亮点报道40余次。

肖淑敏教授同样在哈尔滨工业大学(深圳)担任教授,并荣获国家杰出青年科学基金,被深圳市认定为国家级领军人才。她领导的研究团队专注于半导体光学材料和器件的制备,覆盖了微纳米体系的数值建模、微纳米制备技术(包括光刻、电子束曝光、反应离子刻蚀等)及光学和电学表征技术等多个领域。肖教授近年来在国际学术刊物和会议上发表了140余篇高质量原创论文,包括在《Nature》、《Science》、《Nature Communications》、《Science Advances》、《Advanced Materials》等重量级期刊上的发表,多篇论文单篇被引超过200次。她的研发技术不仅满足了“华为XXX器件”的应用要求,而且已成功进入量产阶段。

这对科研夫妻档的故事不仅是个人才华和专业成就的展示,更是科研合作与生活伴侣之间相互支持和协同进步的美好典范。

肖淑敏教授(前排左五)、宋清海教授(前排左四)团队

今日,宋清海教授、肖淑敏教授联合 澳大利亚国立大学Yuri Kivshar教授的最新研究成果发表在《Nature Nanotechnology》,下面就让小编带大家一起拜读一下大佬们的最新研究成果。

间隙相位进行亚像素波前控制的光操纵

现存问题

光学涡旋(携带轨道角动量的光束)在多种应用中扮演着至关重要的角色,包括高容量光通信、超分辨率成像和光学捕获等。尽管已提出许多方法高效产生光学涡旋,但这些方法均未能符合光学系统微型化的现代趋势。与螺旋相位板、Q板和衍射光学元件不同,超表面显示出了将设备厚度压缩至纳米级别的潜力——然而,要展示波前控制,超表面仍需较大的平面尺寸,这严重限制了超表面在纳米光子学等新兴领域的应用。一个关键问题仍然悬而未决:为了高效产生涡旋光束,结构能有多小?

解决方案

结构尺寸的问题实际上与超表面的工作原理密切相关。在传统方法中,每个超原子都被独立对待,忽略了近场相互作用。因此,传统的超微装置通常仅限于单像素级别的操作。然而,在本研究中,作者发现近场相互作用对于提供新的自由度至关重要。

众所周知,当一个由紧密排列的纳米柱构成的超分子在入射波照射下时,通过近场相互作用可以形成多种混合模式。一个较不为人知的现象是,当所有混合模式被激发并同时传播时,可以在纳米柱之间的缝隙中生成相位梯度。这些所谓的缝隙相位存在于每一对相邻纳米柱之间,因此,仅使用四个纳米柱的超四聚体就可以实现连续的涡旋相位剖面通过仔细调节结构参数,可以调整纳米柱之间的缝隙相位,以实现具有拓扑电荷l = 2的理想涡旋光束。在作者的模拟中,由超四聚体产生的输出光束展示了83.9%的模式纯度。有趣的是,通过相位梯度打破了超四聚体的顺时针和逆时针对称性——这对于传统的像素级超表面来说是无法实现的,因为阶梯相位(0, π, 2π 和 3π)对两个方向都贡献相等,导致产生了低纯度、拓扑电荷l = ±2的涡旋混合。

图1:纳米级涡流发生器的概念

图2:l = 1时光学涡旋的产生

作者已经通过实验验证了所有这些模拟。通过强度剖面、干涉图案和纯度测量,证明了缝隙相位的重要性,并演示了高纯度涡旋光束的生成。而且,缝隙相位的原理不仅限于超四聚体:利用这一新的自由度,作者还演示了更复杂的现象,如拓扑电荷从l = 1到l = 10的光学涡旋、异常折射,以及更复杂的纳米级超微装置,如高数值孔径的金属透镜。

为了展示具有缝隙相位的超微装置可能的影响,作者将超四聚体集成到其他纳米装置中,如二氧化硅纳米纤维和纳米激光器,并且还演示了高密度的涡旋阵列——这指向了在光通信和光加密中纳米级超微装置的光明未来。

图 3:l = 2 时光学涡旋的产生

图 4:密集涡晶格的生成

未来发展方向

与传统的超表面相比,本文引入了一种具有新自由度的超表面——超分子纳米柱之间的缝隙相位。借助缝隙相位,超相位板的占地面积已经显著减小,缩减至纳米尺度。缝隙相位的概念可以扩展到其他超微装置上,预计将出现众多具有纳米级占地面积的高性能超微装置。

纳米光子学的另一个挑战在于对有限但相对较大尺寸超微装置的三维全波模拟。在这类装置中,周期性边界条件不再适用,而二维模拟又不够准确。此工作中开发的场重构方法将二维数值模拟与沿纬度方向的解析计算相结合,因此在保持高精度的同时大大减少了对计算资源的需求。这种新方法可用于解决大面积三维模拟的问题,并应引起研究人员对有限尺寸装置的关注。一些新的物理现象,包括光子带结构的转变,也可得以探索。

来源:高分子科学前沿

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