非局域机械光学超表面

《ACS Photonics》：Nonlocal Mechano-Optical Metasurfaces

可调谐机械-光学超表面通过纳米结构应变与旋转协同实现可见光谱光子共振动态调控，采用kirigami柔性基底与硅纳米膜两种设计，利用非局域量子束缚态（q-BIC）对粒子间距和角度敏感的特性，在拉伸至60°时仍保持高机械稳定性，实现波长580-640nm调谐和品质因子55-215的优化，为动态光滤波和波前调制提供新范式。

　　本研究探讨了一种新型的机械-光学超材料（mechano-optical metasurface），通过将机械超材料的内部结构设计与光学超材料的非局域共振特性相结合，实现了对光学波前的可调控制。这种设计突破了传统光学超材料在波前调控上的局限，为未来的动态光学器件提供了新的可能性。文章通过两个不同的设计思路展示了机械变形如何影响光学响应，并进一步探讨了这种结合在实际应用中的潜力。

传统光学超材料通常依赖于纳米结构的固定排列，其光学功能一旦制造完成就难以调整。然而，可调超材料则可以通过外部刺激（如机械力、电场或温度变化）动态改变其结构，从而实现对光学波前的实时调控。机械超材料因其独特的结构设计，可以在不增加整体体积的情况下实现复杂的机械变形，这为光学超材料提供了新的调控手段。通过引入机械超材料的内部旋转机制，研究者能够更精确地控制纳米结构之间的相对距离和角度，进而实现对光学共振特性的动态调整。

在第一种设计中，研究者使用了一种“剪纸”（kirigami）基底，通过在基底上精心设计的切割，实现了对纳米粒子阵列的可调性。剪纸基底的结构允许在施加拉伸力时，纳米粒子之间的间距和角度发生显著变化，这种变化能够触发非局域的高品质因子（high-quality-factor）共振，从而在可见光谱范围内实现广泛波长的调控。例如，当基底在x轴方向受到拉伸时，纳米粒子之间的间距可以增加至89%，而粒子的角度可以变化至58度，这种变形方式使得光学响应具有极大的灵活性。通过有限元频率域模拟，研究者计算了不同几何结构下的反射光谱，发现共振波长可以调节至500至650纳米之间，其变化范围是传统超材料的328倍，显示出这种设计在可调性方面的显著优势。

在第二种设计中，研究者进一步优化了结构，消除了传统基底，转而使用一种50纳米厚的硅膜作为机械超材料和光学超材料的集成结构。这种硅膜不仅具有机械超材料的结构特性，还能支持光学超材料的非局域共振，同时通过精心设计的10纳米宽的连接梁（beams）实现对纳米粒子的机械支撑。连接梁的设计使得纳米粒子能够在施加拉伸力时发生旋转，而不会破坏其光学共振特性。通过模拟和实验，研究者验证了这种结构在拉伸至60度时仍能保持机械稳定性，并且其反射光谱仍然具有显著的可调性，共振波长可以调节至580至640纳米之间，其变化范围仍达到4.7倍的共振线宽。这种设计不仅提高了结构的机械强度，还避免了传统基底对光学性能的干扰。

机械超材料的引入为光学超材料的调控提供了新的思路。通过机械超材料的内部旋转机制，研究者能够更灵活地调整纳米粒子之间的相对位置和角度，从而实现对光学共振特性的动态调控。这种调控方式不仅限于简单的拉伸或弯曲，而是通过结构的主动变形，实现了对光学波前的多维度控制。在模拟中，研究者发现当纳米粒子之间的间距和角度发生变化时，其共振特性也随之变化，这为未来的可调光学器件提供了理论基础。

研究还探讨了机械超材料对光学响应的影响。例如，在引入连接梁后，纳米粒子之间的间距和角度变化不再完全独立，而是受到连接梁结构的约束。这种约束虽然会影响光学响应的某些特性，如共振质量因子（Q）和反射光谱的宽度，但同时也为光学超材料提供了更稳定的机械支撑。通过模拟，研究者发现即使在拉伸至60度时，纳米粒子之间的共振特性仍然能够保持良好的控制，其反射光谱的峰值仍然显著，且其质量因子在55至215之间变化，显示出这种设计在实际应用中的可行性。

此外，研究还关注了有限尺寸效应（finite-size effects）对光学响应的影响。在机械超材料的边缘区域，由于边界条件的限制，纳米粒子之间的间距和角度变化并不均匀，这可能导致光学响应的不一致性。然而，通过模拟，研究者发现只要避开边缘区域，光学响应的主体部分仍然能够保持高度的一致性。这种有限尺寸效应的分析为未来的超材料设计提供了重要的参考，特别是在大规模应用中如何优化结构以减少边缘效应的影响。

机械超材料与光学超材料的结合不仅拓展了可调超材料的功能，还为未来的多稳定超材料（multistable metasurfaces）和模式切换（mode switching）提供了新的可能性。通过不同的机械变形方式，研究者可以实现对光学波前的多种调控，如波束偏转（beam steering）、偏振控制（polarization control）以及动态聚焦（dynamic focusing）。这些功能的实现使得机械-光学超材料在光学器件领域具有广阔的应用前景，特别是在需要动态调整光学性能的场景中。

未来的研究方向包括如何进一步提高机械超材料的可调性，以及如何将其应用于更广泛的光学器件中。例如，通过引入更精细的机械变形机制，可以实现对光学波前的更精确控制。此外，研究还提到如何利用先进的纳米制造技术，如电子束光刻（electron-beam lithography, EBL）和基底适应性光刻（substrate conformal imprint lithography, SCIL），来实现这种结构的大规模生产。尽管EBL技术在精度上具有优势，但其在大规模生产中的可扩展性仍然有限。而SCIL技术则展示出更高的可扩展性，其分辨率可以达到6纳米，为未来的实际应用提供了新的可能性。

综上所述，本研究通过将机械超材料的结构特性与光学超材料的非局域共振特性相结合，提出了一种新型的机械-光学超材料。这种超材料不仅能够实现对光学波前的广泛调控，还能够提供更稳定的机械支撑，从而拓展了可调超材料的应用范围。通过模拟和实验，研究者验证了这种结构在可见光谱范围内的可调性，并展示了其在实际应用中的潜力。未来的研究将继续探索如何优化这种结构，以实现更高效的光学调控，并推动其在实际光学器件中的应用。