超快激光直写技术实现基于钙钛矿材料的平面光学透镜学术资讯

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近日，澳大利亚蒙纳士大学（Monash University）鲍桥梁教授、斯威本科技大学（Swinburne University of Technology）贾宝华教授及深圳大学张豫鹏研究员领导的团队合作在二维钙钛矿光子学器件应用研究方面取得进展，其最新研究成果“Flat Lenses Based on 2D Perovskite Nanosheets”在Advanced Materials 杂志发表。烟台大学光电学院青年教师王子昱博士和澳大利亚斯威本科技大学博士生杨铁山是论文的共同第一作者，澳大利亚蒙纳士大学鲍桥梁教授、斯威本科技大学贾宝华教授及深圳大学张豫鹏研究员为该论文共同通讯作者。
具有光波前突变能力的超薄平面透镜，作为纳米光子学的基本组成部分，是实现光学器件的微型化和光与物质相互作用精确调控的重要元器件。现阶段，以微纳加工技术为手段的超表面或超材料超薄平面透镜被广泛研究，但相对复杂的纳米图案的设计和耗时的纳米加工过程限制了其应用范围。因此，低成本构建具有亚波长聚焦能力的平面透镜是目前面临的挑战。
该联合研究团队报道了利用飞秒激光直写技术构建出基于CH3NH3PbI3二维钙钛矿纳米薄片的光学平面透镜。超快激光直写技术由于其丰富的光和物质相互作用的机制和动力学，特殊的三维制造能力，任意结构设计的灵活性以及最小的热效应，使其加工精度高达数十纳米。研究结果显示，这种基于瑞利-索默菲尔德（Rayleigh–Sommerfeld）衍射模型设计出的具有同心环结构的钙钛矿纳平面透镜，可以有效调控入射光束的相位和振幅，从而实现光束在亚波长尺度的有效聚焦，并且可精确调控平面透镜的数值孔径（NA）和焦距。相比于光刻、电子束曝光等其他加工手段，飞秒激光直写技术为纳米材料的微纳加工提供了良好的借鉴意义。

图1. 光传输通过具有同心环结构的2D钙钛矿平面透镜将透射光聚焦到三维聚焦点的理论基础。
理论计算研究同样表明，钙钛矿材料具有强吸收的特性，对入射光的相位和振幅有着较强的调制作用，即使在二维纳米薄片厚度很低的情况下，仍然具有对入射光有效调制实现高质量的聚焦的能力。最后，聚焦效率测试实验表明，所制备的钙钛矿平面透镜具有较好的聚焦效率（~9.5%），约3倍于采用单层石墨烯所制备的平面透镜（~3%），聚焦尺寸可达到0.7λ的亚波长聚焦量级。作者期望这项关于二维钙钛矿平面透镜的工作可以为钙钛矿基高性能光电子器件提供新的思路、开辟新的途径。

图2. 入射光透过2D钙钛矿透镜的三维示意图以及三维聚焦点的理论模拟。
这一成果近期发表在Advanced Materials 上。

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