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超材料技术重大突破：中国科学家首次解除光学基本定律束缚

健康生活 2025年07月25日 10:18 1 admin
超材料技术重大突破：中国科学家首次解除光学基本定律束缚

中国科学家在光学领域取得了一项颠覆性突破，成功打破了困扰科学界数十年的角度-波长锁定限制。中山大学董建文教授和复旦大学周磊教授领导的联合研究团队，通过创新的双层超材料光栅设计，首次实现了对光的角度和波长的独立精确控制，这一发现不仅挑战了传统光学理论，更为增强现实、光谱成像和先进半导体制造等技术开辟了全新的可能性。

在传统光学系统中，光的波长和传播角度之间存在着一种被称为"角度-波长锁定"的天然联系。这种现象源于周期性结构中的色散效应，意味着调整入射光的角度通常会导致设备滤波波长的相应变化。这种相互关联的关系长期以来被视为不可避免的物理限制，给许多高精度光学应用带来了重大挑战。

理论突破的关键洞察

研究团队的突破性发现在于识别出光学模式的辐射方向性是克服这一基本挑战的关键。通过深入的理论分析，他们建立了一个完整的相位图，用于通过辐射方向性来工程化共振光谱。这一理论框架揭示了空间反演对称性和光学模式的高度定向辐射是打破角度-波长锁定的基本物理条件。

超材料技术重大突破：中国科学家首次解除光学基本定律束缚

通过错位元光栅中的辐射方向性定制共振反射的示意图。新型双层元光栅在宽带光谱和广角入射下仅选择单个角度和单个波长。这是通过“定向橡皮擦”实现的，它精确地抑制了光沿色散曲线的光谱特征。来源：庄泽鹏、周欣等。

基于这些理论洞察，研究团队在双层超材料光栅中引入了横向位移设计。这种设计在保持空间反演对称性的同时打破了垂直镜像对称性，从而实现了对辐射方向性的精确角度控制。理论预测表明，共振反射只在正入射和接近中心波长处发生，团队还提出了在任意角度和波长下实现空间-光谱选择性的通用设计方案。

董建文教授解释道："辐射方向性就像一个'魔法橡皮擦'，允许我们沿着色散曲线精确抑制光的光谱特征。这种能力使得角度和波长的独立选择性成为可能，克服了固有色散带来的限制。"

制造工艺的技术挑战

将理论设计转化为实际器件面临着巨大的技术挑战。双层超材料光栅的实验制造需要同时实现超薄间隔层的平整度和层间的精确横向错位，这需要复杂的纳米制造技术。

为了解决这些挑战，研究团队开发了一种新颖的制造方法，涉及多个蚀刻步骤、间接厚度测量和迭代沉积过程。这种方法结合了高精度双层对齐技术，成功制造出了工作在近红外波段的高质量双层超材料光栅。该方法提供了优异的间隔层平整度和厚度可调性，对齐精度达到约10纳米，并与各种间隔材料兼容，为研究双层光子系统建立了一个灵活的实验平台。

超材料技术重大突破：中国科学家首次解除光学基本定律束缚

错位双层元光栅的理论设计和实验实现。a.由双层元光栅中的引导共振模式引起的典型法诺共振。b.法诺共振的反射倾角和峰值与具有匹配平面内动量k//和-k//的导模的辐射方向性有关。红点对应于镜像对称的情况，虚线代表P对称的情况。c.所制备的双层元光栅样品的扫描电镜图像。d.模拟和实验中的角度分辨反射光谱。来源：庄泽鹏、周欣等。

利用这个平台，研究团队实验性地展示了仅在单一角度和单一波长下发生的高反射率现象。为了确认这种新颖的反射率根源于辐射方向性，他们还进行了角度分辨光学显微镜测量来表征样品的辐射方向性。通过结合时间耦合模理论和交叉偏振测量技术，他们定量测量了共振模式的单向辐射特性。

应用前景的广阔空间

这项研究的实际应用价值已经开始显现。研究团队开发了毫米尺度的高精度双层超材料光栅，并成功实现了在0°和1342纳米处具有同时空间和光谱频率选择性的高对比度成像。这为紧凑型光学成像和光学计算技术开辟了新的机遇。

在增强现实和虚拟现实显示技术中，这一突破可以消除长期困扰的彩虹色伪影问题。传统的AR显示器由于角度-波长锁定效应，在不同观看角度下会出现颜色偏移，影响用户体验。新技术的应用将使AR显示器能够在任何观看角度下保持一致的色彩表现。

在光谱成像领域，这项技术能够显著提高探测器的精度，减少角度干扰对光谱数据的影响。这对于遥感、医学成像和材料分析等应用具有重要意义。此外，在先进半导体制造中，这种技术可以为光刻工艺提供更精确的光源控制，提高制造精度和效率。

未来发展的技术路径

虽然这项研究在理论和实验方面都取得了重大突破，但研究团队认为还有许多工作需要完成。特别是需要进一步优化制造工艺，提高产量和可重复性，以满足大规模商业应用的需求。

研究团队预测："这项研究不仅为解决独立控制角度和波长的基本挑战提供了创新解决方案，还为AR/VR显示、光谱成像、相干热辐射和先进半导体制造等技术应用提供了新的见解。"

从更广泛的角度来看，这项研究展示了基础物理学研究与实际应用之间的密切联系。通过深入理解光学现象的基本原理，科学家们能够开发出具有革命性意义的新技术，推动整个行业的发展。

随着相关技术的不断成熟，预计在未来几年内，基于这一突破的商业产品将开始出现，为消费者和工业用户带来前所未有的光学体验。

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