作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 原子级薄且可调的平面透镜
电化学电池中建议的WS2波带片透镜示意图
随时间变化的离子液体栅极电压通过猝灭激子共振导致聚焦效率的调制
电化学电池内部离子液体门控工作原理示意图
带电分子屏蔽了掺杂WS2/石墨烯异质结构和金参考垫的库仑势
制作好的透镜中心的光学显微镜图像(右)与设计好的WS2图案重叠(左，浅色阴影区域)
插图:焦点的x-y扫描在图案表面上方约2 mm处形成(λ= 620 nm)
聚焦光束的d，x–z扫描(λ= 620 nm)
沿着聚焦光束的z轴和x轴(对于z= 1，993米)的归一化强度的横截面也以任意单位(α
u
)
e，蓝宝石上焦距为f= 10米的直径为20米的波带片透镜后面的散射场强(λ= 620纳米)(log 10色标)
学分:自然光子学，doi: 10
1038/s 14566-020-0624-y 自从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，用薄而轻的对应元件来代替现有的笨重光学元件
这些尝试最近产生了纳米光子亚表面，其包含由密集的金属或半导体纳米结构阵列制成的平坦光学器件
这种结构可以基于等离子体共振或米氏共振有效地控制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共振，以实现小形状因子光学器件，提供多功能性和对整个光场的控制
虽然这种亚表面函数保持静态，但是对于新兴的光子应用，例如用于三维(3-D)映射的光方向和测距(LIDAR)，实现动态控制是非常理想的
等离子体共振和米氏共振只能提供微弱的电可调性，但数十年来对光调制的研究表明，激子操纵能更强地控制材料的光学性质
激子在光学波前处理中的关键作用还有待于原子级薄光学元件的理解和证明
在《自然光子学》杂志上发表的一项新研究中，乔里克·范·德·格罗普和斯坦福大学高级材料研究小组以及美国中佛罗里达大学光学和光子学院的研究人员
S
设计出一种可以主动控制的原子级薄光学元件
他们直接从一层二硫化钨(WS2)上雕刻出基底
该材料在可见光谱范围内表现出强烈的激子共振
研究小组设计了由二维(二维)激子材料通过改变材料的共振制成的亚表面，而不是通常的方法来设计几何共振天线的尺寸和形状
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
电化学电池布局
(一)在样品顶部制作的电化学电池的横截面示意图，将离子液体密封在内部
(b)1×1cm 2蓝宝石衬底的照片，带有12个接触的波带片透镜和完整的电化学电池
样品被安装在定制的印刷电路板上，金接触垫被引线键合到该板上
(三)、离子液体门控工作原理的放大图
带电分子屏蔽了掺杂的WS2/Gr异质结构和金参考垫的库仑势
学分:自然光子学，doi: 10
1038/s 14566-020-0624-y 可调原子级薄波带片透镜 为了突出激子共振在平透镜工作中的重要性，研究小组将WS2环视为散射场的来源，由入射平面波驱动
局部产生的散射场与WS2材料的极化成正比，科学家们预计激子共振附近的散射最强，在那里复磁化率(表示为x)的大小最大
实验装置利用高质量的剥离材料实现了显著更高的聚焦效率，其中激子线宽显著减小
虽然这种透镜对于非共振波长对人眼几乎是不可见的，但是它可以从其周围捕获重要信息，使得焦点处的强度远远超过入射平面波的强度
聚焦效率的光谱依赖性取决于WS2单层的复合材料敏感性
科学家们无法通过实验隔离散射场，但他们从大面积收集了微弱的散射光，以确定实验波带片的聚焦强度很高，并且主要基于WS2材料
材料敏感度和聚焦效率
(一)、WS2复磁化率相量图
白点和数字表示相应的波长
a和B指的是激子共振
材料磁化率的绝对值(上)和相角(下)
直径为20米的波带片透镜的散射光的模拟聚焦效率谱
学分:自然光子学，doi: 10
1038/s 14566-020-0624-y 激子共振调谐和焦点强度调制 该团队通过使用电门改变WS2材料的激子共振来控制透镜的聚焦效率
为此，他们分析了从单层WS2隔离的简单20×20 m2正方形贴片的诱导反射率变化，作为施加的栅极电压的函数
他们观察到激子共振完全消失，产生了磁化率最大可能的变化之一
这种激子抑制也是完全可逆和高度可再现的
与更难调谐和抑制的等离子体共振和米氏共振相比，这些观测突出了激子共振的优点
研究人员然后利用激子共振的大可调性来控制透镜焦点的强度
他们实验性地测量了作为波长的函数的聚焦功率，该波长被归一化为入射到波带片透镜上的功率，以了解聚焦效率谱
结果表明，聚焦激子光散射主导了衬底的直接传输
当研究小组对WS2/石墨烯异质结构施加3伏栅极偏压来抑制激子共振时，他们观察到不对称激子线被完全抑制
然后利用激子共振的可逆转换，他们恢复了中性共振状态
通过离子液体门控的激子操纵
(a)20×20 m2 WS2隔离贴片的反射率光谱，Vg= 0 V(蓝色)，Vg= 3 V时选通(n掺杂，红色)
插图:补片装置的光学显微镜图像
虚线之间的WS2被移除，隔离内部WS2区域
比例尺，20米
(2)在中性(蓝色)和掺杂状态(红色)之间循环时的反射率光谱显示出高再现性
为了清楚起见，顺序获得的光谱被偏移，如灰色箭头所示
学分:自然光子学，doi: 10
1038/s 14566-020-0624-y 该结果与贴片装置上反射测量的线宽变窄的观察结果一致
由于商用WS2的材料质量相对较低，测量的聚焦效率相对较低且有限
例如，小片状二硒化钼(MOSe2)的高质量封装单层可以实现高达80%的光学反射率
因此，科学家可以改进高质量单层过渡金属二元化合物(如WS2)的大面积生长，从而大大提高聚焦效率
研究小组进行了室温下激子共振的大面积主动操纵，以演示二维材料波带片透镜焦点的动态光强控制
它们可重复地在激子主导和激子猝灭状态之间切换，以实现对激子光散射幅度的主动控制
响应时间和设置的不对称性是由离子传输限制的复合物形成和由于离子液体双电层的分解造成的
因此，科学家们建议采用固态选通方案，而不是离子液体选通，以将器件响应时间提高几个数量级，目前由于制造挑战，这是有限的
焦点强度的激子调制
原始状态(红色，Vg= 0 V)、门控状态(蓝色，Vg= 3 V)和恢复状态(灰色，Vg= 0 V)下的波带片透镜的聚焦效率光谱
阴影区域表示对应于一个标准偏差的误差线
中轴上的三角形和虚线表示用于b的波长
(b)当Vg在0 V(白色背景)和3 V(红色背景)之间循环时，λ= 605 nm(蓝色，顶部)、λ= 615 nm(红色，中间)和λ= 625 nm(灰色，底部)的焦点强度作为时间的函数
λ= 625纳米时焦点强度上升(左)和下降(右)的时间轨迹
还显示了从拟合(红色)获得的相应上升和下降时间
学分:自然光子学，doi: 10
1038/s 14566-020-0624-y 这样，Jorik van de Groep和他的同事证明了激子材料共振对操作原子级薄光学透镜的重要性
他们设想，具有局部和交错选通电极的更先进的选通方案将促进具有更复杂功能的激子光学器件，例如可调焦距或光束控制
这项工作为自由空间光束分接、波前操纵和增强/虚拟现实中的应用设计动态平面光学和亚表面开辟了一条全新的途径
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