導讀

超構表面因其優異的光散射特性而備受研究者的關注。然而，固有的靜態幾何形狀限制了超構表面對動態可調諧光學的應用。因此，研究者們迫切尋求一種可以實現具有快速調控速率、小信號調控、固態和跨多像素可編程的超構表面動態調諧的方法。

研究人員提出了一種基于硅的熱光效應與閃加熱驅動的電可調超構表面。設備由作為局部加熱器的透明導電氧化銦錫(ITO)層封裝的非晶硅孔陣列超表面組成?？刂朴|點電勢，使得超表面頂部的導電氧化銦錫層釋放熱量。熱光效應引起硅折射率變化，相應地導致超表面的共振漂移和共振波長處透明度的突變。通過 <5V偏置電壓和?<625 μs的調制上升時間顯示了9倍的透射強度變化。其可電編程多個像素，并進行視頻幀速的光學切換。

研究背景

超構表面如今已實現了許多革命性的應用，例如超透鏡、求解器、光束整形器和全息投影等。并且，由于電驅動超表面與個人電子設備的可集成性，成為了超表面研究的焦點。就目前而言，已有基于載流子注入、液晶調制、普克爾斯效應、電驅動相變材料等技術用于超表面的調控。

載流子注入方法在紅外處表現出超快的調制響應，但調制對比度較弱并會在系統中引起大量的吸收。液晶調控方法可以為超表面提供更強的調制能力，但調制速度有限、單元非固態、組件體積龐大并會引起偏振效應等缺點。基于普克爾斯效應的電光可調諧超表面響應速度快，但需要反演不對稱性材料，并且調制深度通常很低。

而電驅動相變材料超表面不僅在可見光和近紅外光譜范圍內引入強吸收，更重要的是從晶體態到非晶態的恢復通常需要高溫處理(>600oC)，導致無法與CMOS器件集成。因此，目前急需一種電調諧方法可以同時實現快速、高效、透明、固態與偏振無關的超表面調制。

研究創新

研究人員提出了一種調制深度為90%的電可調固態超表面，其調制速率比視頻幀速快一個數量級。通過采用由電驅動局部透明加熱器控制的熱光硅孔陣列超表面，引入了一種通過光開關適應快速電切換的有效方法。



圖1通過閃局部加熱的電可切換超表面像素

利用閃局部加熱實現的電可調孔陣列超表面像素的實現原理如圖1所示。由電子驅動系統控制觸點施加電勢，電流流過對應超表面像素頂部的導電氧化銦錫(ITO)層，使得ITO因其歐姆電阻發出熱量。由于熱光效應引起硅折射率的變化，相應地導致超表面的共振漂移和共振波長處透明度的突變。冷卻是通過自然熱傳導和熱輻射。圖1b顯示了孔陣列超表面的模擬透射光譜，及對應的電場分布（MD磁偶極子；ED電偶極子）。



圖2超構表面的調控性能

圖2a為在室溫（藍色0V）和驅動4V偏壓后在780 nm處樣品的熱光響應。由于熱光效應，超表面溫度升高導致諧振器的折射率發生變化，隨后導致諧振波長發生偏移。該設計使得將電開關轉換為局部閃加熱，受熱光效應影響體現為光學開關。

圖2b和2c為電壓-溫度模擬曲線和對應的光功率情況。其中(i)采用方波信號，而(ii)為改進的非對稱下降階躍信號。這里所采用的下降尖峰電壓偏置確保了更快的加熱曲線，使得系統切換時間控制在亞毫秒量級（625 μs內光功率從10%增至90%），遠快于視頻幀速。



圖3 超表面的時間調制

圖3展示了超構表面開關的穩定性、可重復性和可調性。在20 s內電壓偏置開關頻率從0.25 Hz增加到100 Hz，后鎖定2s，再以反對數方式經20 s降低到0.25 Hz（3 V階躍電壓偏置，占空比為0.5)。然而，在較高的開關頻率(30 - 100 Hz) 下，光學響應的最小值和最大值逐漸增加和減少。

為此，圖3b和3c進一步研究了3-3.8 V電壓下的光功率，其中觀察到的最小光功率（基線）水平增加，而最大光功率水平在更高頻率下降低。這一現象的產生是由于基板和ITO微加熱器中累積的局部熱量導致的，由于0 V下的弛豫時間短于冷卻至室溫的時間（~68 ms），因此系統會積聚熱量。它響應了基線的增加，導致共振波長偏離激光波長。圖3d和3e為光學圖像和SEM。



圖4 可尋址超構表面像素

圖4將四個孔陣列超表面分別定義為顯示器的四個像素。每個像素可以通過不同微加熱器獨立控制。在室溫下760 nm處表現出共振。在5 V偏置電壓的微加熱器加熱時，該共振經紅移至780 nm。為此以100 ms的間隔施加了持續時間為100 ms的5 V脈沖。超表面由波長為780 nm的激光束照亮，并成像到CCD上。圖4b-e顯示為對應的開啟和關斷情況。

審核編輯：劉清