基于等离子体相变材料In3SbTe2的几何相位超表面实现红外光束按需整形

本期推荐：针对红外波段商用光束整形元件稀缺的难题，德国亚琛工业大学团队利用等离子体相变材料In3SbTe2(IST)开发出可光学编程的几何相位超表面。通过激光直写技术快速制备大面积超表面，实现了光束偏转（30°和14.5°）、透镜聚焦（焦距11.5 cm）和轨道角动量（拓扑电荷l=1/3/5）调控，并创新性整合多重功能于单器件（如放大全息与偏转复合）。该技术为红外传感、成像和量子信息处理提供了高效原型平台，全文发表于《Nature Communications》。

　　

红外光学领域长期面临商用器件功能单一且体积庞大的瓶颈，尤其在缺乏成熟光束整形元件的红外波段。传统超表面制备依赖复杂光刻工艺，难以满足快速原型开发需求。德国亚琛工业大学Lukas Conrads团队创新性地利用等离子体相变材料In₃SbTe₂(IST)的激光诱导非易失性绝缘体-金属转变特性，通过直接激光写入技术实现了大面积可编程红外超表面的高效制备。该研究发表于《Nature Communications》，为定制化红外光子器件开发提供了突破性解决方案。

研究采用磁控溅射制备100 nm厚非晶IST薄膜，结合商用激光直写系统（Nanoscribe Photonic Professional GT）局部结晶旋转纳米棒天线阵列。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征材料光学性质，并搭建定制化测试平台（含量子级联激光器和热成像仪）验证超表面功能。关键创新在于利用几何相位原理，通过天线旋转角度（β）直接调控散射光相位（φ=2β），结合IST晶态/非晶态的高折射率对比度（Δn≈3），实现高效率相位调制。

编程大面积几何相位光束偏转超表面
设计周期为18 μm和36 μm的超晶胞结构，实验测得右旋圆偏振光（RCP）偏转角度分别为30°和14.5°，与理论公式θ=arcsin(λ/Γ)高度吻合。通过优化天线尺寸（2.5×0.7×0.1 μm³）使其谐振于9 μm波长，散射效率达10%。

红外金属透镜聚焦
基于连续径向相位分布φ(r)=2π/λ(√(r²+f²)-f)设计的8×8 mm²超表面，在11.5 cm焦距处测得189 μm光斑直径，数值孔径NA=0.03。仿真显示该设计保持光束质量参数接近理想值。

轨道角动量调控
通过螺旋相位拓扑电荷（l=1/3/5）生成环形强度分布，干涉测量验证螺旋臂数量与拓扑电荷严格对应。l=3时三臂螺旋图案与仿真结果误差<5%，证实光子角动量精确操控能力。

多功能集成与级联超表面
采用Gerchberg-Saxton算法设计"ir nano"全息图，叠加透镜相位实现60 cm处厘米级放大成像。进一步整合偏转功能（10°）和级联轨道角动量（l=3）超表面，首次实现单器件多光束并行调控。

双距离动态全息
基于衍射神经网络设计的相位掩模，在16 cm和21 cm处分别呈现非晶态（aIST）和晶态（cIST）晶格全息图，突破传统全息固定焦平面限制。

该研究开创了相变材料超表面快速制备新范式，单次写入4百万天线仅需8小时，较传统光刻工艺效率提升10倍。IST的宽谱等离子体特性（λ>900 nm）使其可扩展至太赫兹波段。这项技术为量子信息编码（轨道角动量复用）、红外热成像和激光加工等应用提供了可重构光学解决方案，填补了红外波段多功能集成器件的市场空白。研究团队特别指出，通过优化天线排列密度和IST膜厚，未来有望将效率提升至30%以上。