中山大学林佑昇团队：具有超高滤色和偏振无关特性的全介质超表面

研究背景和技术挑战

基于超表面的彩色滤光片（color filter, CF）因其独特的光学性能而比使用颜料和有机颜色的彩色滤光片在纳米加工技术的改进中备受关注。有许多基于超表面的CF用于产生蓝色（B），绿色（G）和红色（R）以表现出过滤特性，其结构包括全电介质，金属，绝缘体-金属-绝缘体和金属-绝缘体-金属等纳米结构。这些CF的物理机制是由入射光和金属纳米结构之间的表面等离子体共振（SPR）或全介电纳米结构内的米氏共振引起的。由于基于超表面的CF具有出色的滤色特性，已在宏观彩色全息图、偏振片、高分辨率彩色打印、防伪、颜色切换、信息编码、传感和成像应用中得到证明。

由于金属材料的吸收作用，全金属等离子体纳米结构不可避免地会发生显著的固有欧姆损耗，而全介质材料具有低吸收损耗，由全介质纳米结构组成的CF可以产生明亮纯净的颜色。因此对全介质超表面CF的研究能够克服基于金属材料的缺点。此外，全介质纳米结构还具有易于制造和低成本效益的优点，因此备受关注。

研究内容和亮点

来自中山大学（Sun Yat-Sen University，SYSU）纳机电光学实验室（Nano-Electrical-Mechanical Optics, NEMO）的林佑昇教授课题组提出了在石英衬底上基于全介质的超表面彩色滤光器件，这些CF由具有四种不同几何形状的TiO2纳米盘组成，分别命名为CF-1，CF-2，CF-3，和CF-4，如图1（a）所示。所提出的CF可以根据米氏共振理论通过改变几何参数来适当地设计以产生生动的RGB颜色。这些提出的基于超表面的CF具有高色彩饱和度和超窄带宽。此外，具有不同形状的CF显示出颜色切换的可调性和偏振相关特性。相关研究成果以“All-dielectric metasurface with ultrahigh color filtering and polarization-independent/dependent characteristics”为题目发表在Journal of Applied Physics 2022年第132期（Journal of Applied Physics, 2022, 132(6), 063102）。

图１ (a) CFs器件阵列及其单元结构示意图；(b) CF-1反射光谱；(c) CF-1透射光谱；(d) CF-1反射光谱对应的CIE 1931 色度坐标；(e) CF-1透射光谱对应的CIE 1931 色度坐标

CF-1的反射和透射光谱以及其对应的CIE 1931 色度坐标如图1（b）到（d）所示。CF-2和CF-3在蓝光、绿光和红光波段的反射光谱如图2所示，图4展示了CF-4的反射光谱。研究得出，对于蓝光、绿光和红光滤光特性，CF-1的反射强度分别为0.996、0.997和0.951，相应的RGB颜色的光谱带宽分别为14 nm，16 nm和13 nm。CF-2具有与CF-1相同的出色滤色和偏振无关特性，具有高色彩饱和度和超窄带宽。此外，CF-3和CF-4展示出其具有颜色切换的可调性和偏振相关特性，在极化开关应用中具有巨大的潜力。

图2 (a) - (c) 分别代表CF-2 在蓝光、绿光和红光波段反射强度与不同 r 值的关系；(d) - (f) 分别代表CF-3在TE/TM 模式下在蓝光、绿光和红光波段反射强度与不同 d 值的关系

图3 在(a-c) TE 和 (d-f) TM 模式下，CF-4 在不同的 α 值下的反射光谱；其中 (a), (d) 为蓝光波段反射光谱、(b), (e) 为绿光波段反射光谱，(c), (f) 为红光波段反射光谱

结果表明，课题组所提出的四种不同形状的超表面CFs，能够产生高色彩饱和度和和高反射强度的RGB光谱，并且具有超窄带宽。此外，具有不同形状的CF显示出颜色切换的可调性和偏振相关特性。这些CF设计将潜在地受益于反射式显示技术，CF-1和CF-2的超高滤色特性对于高分辨率彩色印刷和微型LED特别有用。此外，CF-3和CF-4的偏振相关特性使它们可以用作偏振开关，可调颜色开关等。

本研究工作得到广东省基础于应用自然科学基金项目（2021A1515012217）、国家自然科学基金项目（11690031）等的大力支持。

原文信息

标题

All-dielectric metasurface with ultrahigh color filtering and polarization-independent/dependent characteristics

期刊

Journal of Applied Physics 132, 063102 (2022)

作者

Rongpeng Fang, Zhenshan Yu, Kunlin Chen, and Yu-Sheng Lin

原文链接

https://doi.org/10.1063/5.0098286

期刊介绍

Journal of Applied Physics 是一本有影响力的国际期刊，出版科研论文、新的或改进的方法、关于该领域最新进展的前瞻性文章和综述、作为社区教育材料的教程等。

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