斯坦福大学Nat. Nanotechnol.：用于光场动态控制的超表面光流体

解读-用于光场动态控制的超表面光流体

在集成光流体芯片上操纵光和液体的能力已经刺激了生物学、医学、化学和显示技术的无数重要发展。微流体(Microfluidics)技术有助于高度自动化地引导、混合和操纵微小体积的液体，并在推动各种技术方面发挥了作用，这些技术包括生物学中的细胞培养和高通量诊断以及合成化学中的微反应器。在单个芯片上集成光学和流体学所产生的巨大协同作用进一步扩大了可能性，因为液体可以用来控制局部的光学特性，反之，光也可以用来监测液体内的化学和生物过程。研究人员已初步尝试将这种整合扩展到千兆赫兹和太赫兹系统中基于元表面的平面光学。

[成果掠影]

在这项研究中，美国斯坦福大学Mark L. Brongersma 课题组展示了光流体学和元表面光学的融合，以实现对光场的动态控制。本工作首先展示了元表面构件，其散射特性对其电介质环境显示出极高的敏感性。然后，这些模块被用来在微流控通道内创建基于元表面的平面光学，在那里，具有不同折射率的液体可以被引导，以操纵其光学行为。本工作展示了元表面彩色像素的强度和光谱调整，以及按需使用的光学元件。最后本工作展示了在一个集成的元光电平台上的自动控制，以开辟新的显示功能。结合大规模的微流体集成，本工作的动态元表面平面光学平台可以开辟动态显示、成像、全息和传感应用的可能性。相关论文以题为：“Metasurface optofluidics for dynamic control of light fields”发表在Nature Nanotechnology上。

[核心创新点]

• 本工作应用不同的材料和一种概念上的新机制，将这种整合转移到非常重要的可见光谱范围，并提供新的光学功能，这在开发新型显示器、动态按需平面光学和传感技术方面可以起到变革作用。
• 本工作展示了具有明亮结构色彩和长期稳定性的亚波长分辨率像素，并提出了动态控制光场的新方法。这些特征可以实现透明显示和动态按需平面光学，并带来新的传感方式。
• 在这里，本工作展示了一个透明基底上的元流体平台，能够动态控制光场的强度和光谱，而不需要偏振器或彩色滤光片。

[数据概览]

• 动态金属表面光流体平台的开发

图1a显示了几个重要的动态控制功能，这些功能可以通过在微流控通道内加入硅（Si）元表面来实现。这些纳米结构被设计成通过在其上流动不同折射率（n=1.0-1.7）的液体来实时改变其散射特性。首先，本工作在实验中证明了彩色像素的动态反射率调整。本工作采用了硅纳米片的方形晶格来确保与偏振无关的反应。虽然传统墨水显示器中的彩色像素的几何形状是由微小的液体单元的形状定义的，但元表面的彩色像素可以被设计成任意的形状，并提供衍射限制的分辨率。图1b显示了一个单一的蓝色像素的高反射率"开"的状态和充满空气的通道（n=1.0）的各种字符，以及n=1.7的液体流动导致的低反射率"关"的状态。25×25μm²的元表面像素包含10000个硅纳米盘，但由于亚波长盘的间距而显得光学均匀。印刷的"斯坦福"一词突出了元表面"油墨"所带来的亚微米级的分辨率。正如本工作的光谱测量所显示的那样，像素的切换需要反射率的大幅和宽带变化（图1c）。其次，本工作用另一种元表面设计证明了反射性像素的动态颜色调整。在光学反射图像（图1d）和测量的反射光谱（图1e）中，本工作观察到随着通道中的指数从1.0增加到1.7，整个可见光谱的颜色逐渐调整。第三，本工作展示了本工作如何实现按需使用光学元件，其中光学元件可以被制造出来和消失。这需要对相控阵光学器件的衍射效率进行有效的动态控制。为了说明这个概念，本工作设计并制造了一个由旋转的矩形硅纳米块组成的几何相位元表面，它以亚波长的分辨率编码局部的几何相位轮廓。这创造了一个工程化的波前，产生了一个理想的光场分布。这些元表面可以被设计用来编码各种功能，如高数字孔径（NA）光束聚焦、全息（图1f）和大角度光束转向。图1g显示，当n=1.0时，这些光学功能在整个可见频率范围内最初是关闭的。当本工作增加周围介质的折射率时，它们可以被逐渐打开。本工作定量地测量，在555纳米处，强度从入射强度的0.6%增加到14.4%，衍射效率增加了24倍。

图1. 一个全面的动态金属表面光流体平台© 2022 Springer Nature Limited

• 用可调谐的虚构表面电流对元表面进行建模

为了实现上述功能，本工作利用了几个光学共振的存在和强大的分散性，这些共振在可见光谱范围内由硅纳米盘阵列支持。以前关于Kerker效应的研究表明，纳米结构的谐振多极激发可以用来非常有效地引导光的流动。每个多极的远场散射都有独特的角度分布和相位对称的特点。当两个或多个多极同时被激发时，可以观察到强烈的干涉效应，并利用它来引导散射光。这一思路导致惠更斯(Huygens)设计了由许多Kerker散射体组成的元表面。在这里，本工作通过扩展这些概念并将其应用于色散谐振器来设计高度可调的元表面。具体来说，本工作对纳米结构进行设计，使其在局部指数改变时显示出不同的光谱偏移和质量因子的变化。本工作表明，这种动态移动和塑造光学共振的能力提供了一个有价值的新途径，可以以光谱依赖的方式控制光的流动。

元表面元素的散射特性可以通过虚构的电（J_s）和磁（M_s）表面电流来模拟。它们的电场分布显示出所需的对称和不对称的相位对称性（图2a）。随着周围介质折射率的增加，这两个共振表现出明显不同的光谱偏移和光学品质因子的变化。这可以归因于纳米盘的模态约束以及相邻盘之间的光耦合的差异。当环境指数被改变时，后者被电介质屏蔽所改变。本工作发现，与电场被紧紧限制在纳米盘内的反对称模式相比，对称模式的电场在盘内有三个反节点，并更多地延伸到盘边界之外。这导致了近场与电介质环境的强烈重叠，因此非常有效地转移了谐振波长。因此，对称模式表现出比反对称模式更强的光谱移动。同时，辐射耦合在反对称模式中占主导地位，当有效晶格常数接近谐振波长时，会导致质量系数的提高。因此，本工作可以实现对两个主要光学共振的相对光谱位置和带宽的广泛调整。这意味着在一个固定的波长下，散射场的振幅和相位可以有很大的变化，这可以用来操纵反射、传输和吸收的特性。

本工作还可以在一个具有两个光谱位移共振的系统中实现动态颜色控制，当指数从n=1.0变为n=1.7时，这两个共振会一起转移到更长的波长（图2d）。请注意，在这种情况下，两种折射率都可以实现高反射率，这与反射式显示器的需求是一致的。准正态模式模拟被用来确定现实的元表面设计，它可以与目标模态色散相匹配，以实现预期的功能，如动态反射率或光谱控制

图2. 硅超表面动态反射率和颜色调控机理© 2022 Springer Nature Limited

• 实现对随需应变的光学元件的动态控制

图3a说明了四个谐振模式的分散与周围介质的折射率的关系。值得注意的是，本工作在这些模拟中准确地包括了硅的耗散性吸收损失。这在这个例子中特别重要，因为振幅和光谱宽度的变化起着至关重要的作用。对于n=1.0，两个对称共振的散射可以被忽略，因为它们位于Si显示强烈材料吸收的光谱范围内（λ < 450 nm）。两个反对称模式位于一个较长的波长（λ≈520纳米），并有适度的阻尼。这导致散射振幅与无损情况相比减半（图3b，顶部）。与此形成鲜明对比的是，当指数变为n=1.7，并且共振转移到λ≈560 nm时，所有的四个共振模式都经历了较少的材料吸收，并且在两个极化中都变成了退化的。这导致了总散射振幅的翻倍，以及两个极化之间的散射相位差的提升（图3b，中间）。总的来说，这导致了一个大的开/关比率（公式（2）和图3b，底部）。

接下来，本工作展示了如何利用先进的模态色散控制，通过复用两个由不同大小的纳米块阵列组成的几何相位元面，在不同的波长上产生共振，来实现光谱控制的光学功能（图3c）。图3d显示了两个纳米谐振器阵列在两种不同环境下的模拟衍射效率光谱。两种类型的纳米块的模态色散被明智地设计成这样一种方式，即它们在 "关闭 "状态下与绿光或红光产生微弱的共振（图3d，灰线），但它们在 "开启 "状态下与某种颜色有效地互动（图3d，绿线和红线），由相应波长的光学共振驱动。图3e显示了在不同的电介质环境和照明条件下，在元透镜的后焦平面拍摄的一系列光学图像，这证实了按需光学概念的有效性（图3c）。本工作注意到，两个相控阵应用了不同的相位轮廓，确保了消色差聚焦。

图3. Si几何相位超表面对相控阵光学器件的动态衍射效率控制和光谱控制机理© 2022 Springer Nature Limited

• 元表面与微流控系统的整合

为了使这一多功能平台的优势更接近实际，本工作将本工作的动态元表面与一个可编程的微流控腔系统相结合。这样的系统通过实时流动不同的液体（或空气）来按需控制纳米声纳器环境的折射率（n=1.0-1.7）。本工作首先将一个100μm大小的几何相位元透镜（NA=0.45）与Y型微流控通道整合在一起（图4a），研究与液体的调制动力学。高指数油（n = 1.70）和低指数液体清洁剂（HFE-7500，n=1.29）以交替的方式被泵入主通道，流量由两个跨越控制通道形成的气动阀控制。这样就可以通过改变液体的折射率来调节焦点的强度。图4b显示了当流过元透镜的折射率在高和低之间交替以分别开启和关闭焦点处的强度时，焦点处的一系列光学图像。结果显示，强度调制可以在100毫秒（~10赫兹）内完成。本工作注意到，本工作的设计是基于图像的无光谱仪的折射率传感的最佳选择。折射率信息被解码为一个明亮的焦点的强度，这使得低ISO感应可以获得更大的动态范围。考虑到在类似发光二极管的照明下，焦点的强度被调制约300%，折射率变化约30%（图4c），动态元透镜作为超小型折射率传感器在实时化学/生物传感方面显示出巨大潜力。

最后，本工作展示了动态的、集成的元流体学显示功能。通过利用成熟的微流体阀门技术，本工作设计和制造了一个透明的元表面数字显示器（图4d）。该显示器由七个元表面条组成，其反射率可以通过一组阀门单独控制，这些阀门可以向元表面区域输送油或空气。图4e显示了集成系统的光学图像，图4f显示了从显示器上捕获的反射图像，清楚地展示了从0到9的所有不同数字。观察到的对比度在很大程度上与不使用偏振器的液晶显示器的性能相匹配，从而为在透明基板上实现元表面显示器铺设了一条有希望的新途径。

图4. 在透明基底上将动态元表面与可编程微流控技术结合起来© 2022 Springer Nature Limited

[成果启示]

总之，本工作已经展示了一个全面的动态金属表面平面光学平台，提供了动态强度和光谱控制的光场。前所未有的高空间分辨率和透明度为设计多功能、一体化和动态平面光学提供了新的自由度。在元表面元素中设计的高灵敏度散射也通过显示微流体通道中细微的指数变化打开了新的传感模式。结合完善的大规模微流控集成，该平台为动态显示、成像、全息和传感应用提供了一个光明的前景。

第一作者：Qitong Li 

通讯作者：Mark L. Brongersma

通讯单位：美国斯坦福大学

论文doi：

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01197-y