虛空之美：單原子層光場調控及超臨界透鏡

折射率的虛部是什麼

全光整合資訊處理系統是奈米光子學研究的初心和最終使命，而實現同平臺的光激發、調控和探測是構建全光資訊處理系統的核心條件。近年來，以過渡金屬硫化物（TMD）為代表的二維半導體材料在構建超薄光電整合應用中展現了巨大潛力。但受限於趨於物理極限的厚度特性和有限的折射率實部（n），光程累積效應導致的光學相位調控能力較差成為二維半導體材料構建全光整合系統的主要制約因素。

在傳統光學元器件中，由材料折射率虛部（k）所決定的損耗特性總是起到降低系統性能的作用，在實際光學設計中需盡力去消除損耗的影響。

本工作深入研究了損耗輔助的光學相位奇點（Singularity）效應，變廢為寶，讓材料的損耗在光學相位調控機制中起主要作用。基於TMD-buffer layer-Si的三層結構體系，透過調控系統的輻射損耗和單層二維材料吸收損耗的競爭關係，構建了工作在可見光波段的光學反射相位奇點。利用跨越光學奇點附近的Heaviside相位突變，在有二維材料覆蓋和沒有二維材料覆蓋區域實現了從over-coupling到under-coupling的模式轉變，成功地在單層MoS2上實現對可見光顯著的相位調控。理論結果顯示，當buffer layer的折射率和厚度（n，t）分別控制在（1。98，65 nm）的時候，在單層 MoS2-buffer layer-Si區域和buffer layer-Si區域之間，在設計波長535 nm附近可以實現π的相位突變，相位調控能力比MoS2的物理厚度高350倍（圖1）。

圖1 損耗輔助的相位調控機制。

結合飛秒鐳射直寫技術，該工作在單層MoS2薄膜上構建了二元相位型平面超臨界透鏡，理論和實驗中獲得了遠場超越衍射極限的光學聚焦，焦斑橫向尺寸約為0。7倍的艾裡斑。得益於TMD材料在可見光波段顯著的損耗色散特性，MoS2薄膜非凡的相位調製能力可以擴充套件到寬譜波段。

理論計算表明，當把MoS2薄膜從單層拓展到雙層時，響應頻寬會極大擴充套件，在150 nm頻寬區域內實現大於π/2的相位調製能力。利用該特性，他們在實驗上展示了的寬頻平面超臨界透鏡，從435 nm到585 nm的150 nm頻寬內得到了超衍射極限的聚焦能力（圖2）。焦距與波長成良好的線性關係，且焦斑橫向尺寸基本保持恆定，這為實現波長掃描式的超分辨光學層析成像技術提供了可能。

圖2。 原子層厚度平面超臨界透鏡

為了展現該技術在構建超構光子器件方面的普適性，本工作還展示了損耗輔助的相位調製能力在原子層厚度複雜二元光子器件中的應用。結合鐳射直寫技術，在大面積雙層MoS2薄膜上構建了1000×1000畫素的全息光學器件。得益於超高的相位調製能力和寬頻響應特性，實驗中展示了多色高保真度的全息圖（圖3）。

圖3。 原子層厚度MoS2薄膜上的光學全息圖

該研究工作為二維半導體材料的波前調控提供了新思路，結合單層TMD材料的直接帶隙特性，為構建微型化的全光整合系統提供了可行的方案。同時，單層材料所體現出的超高相位調製能力，也為自調製光致發光、功能整合化的光電探測器、激子場效應電晶體以及下一代光學計算應用提供助益。

暨南大學光子技術研究院秦飛副研究員和澳大利亞國立大學工程與計算科學學院博士生Boqing Liu為該文章的共同第一作者。暨南大學光子技術研究院李向平研究員和澳大利亞國立大學盧悅瑞教授為共同通訊作者。該工作還得到了新加坡國立大學仇成偉教授，和魯東大學朱林偉教授等合作者的理論和實驗支援。