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光学超构表面

张家硕, 毕宴钢, 冯晶. 基于光学超构表面光场调控的发光器件研究进展（特邀）[J]. 光学学报（网络版）, 2025, 2(9): 0902001.

随着LED和OLED等发光显示器件的广泛应用，人们对器件的发光方向、颜色可调、偏振控制有了更高的需求。利用偏振片、滤波片、透镜等传统光学元件可以有效改变器件的发光特性，但系统体积的显著增加不利于器件的集成，并且传统光学元件带来的能量损耗，严重影响了器件的效率。

光学超构表面是一种通过微纳结构人工构筑的二维光子材料，能够对光场的相位、振幅、偏振等物理参量进行精细化调控。

光学超构表面具备平面化、超薄、多功能、易集成等优势。将其集成至有源光子器件内，可依据实际需求对近场光源实施调控，定制器件的远场发光特性，进而实现对发光器件发光参量的精准调控与主动剪裁。

光学超构表面的制备工艺：（a）电子束曝光工艺；（b）聚焦离子束加工；（c）飞秒激光直写技术；（d）纳米压印技术（e）反应离子刻蚀；（f）双光束干涉无掩模光刻技术；（g）自组装纳米球光刻

· 电子束曝光（EBL）：作为最常用的技术之一，具备高精度、高设计自由度、适配多种材料体系等优势。在发光器件相关的光学超构表面制备中，常与反应离子刻蚀（RIE）结合：先通过 EBL 定制图案化掩模，再利用 RIE 对目标材料进行选择性刻蚀。

· 聚焦离子束加工（FIB）：兼具双重功能，既可用作抗蚀剂曝光的光刻工具（类似电子束），也能通过聚焦离子束对样品进行直接图案化加工。

· 飞秒激光直写（FsLDW）：基于非线性相互作用机制，可实现复杂三维结构加工，且加工效率较高。

· 纳米压印（NIL）、双光束干涉光刻、自组装光刻：适合大面积、批量化制备超构表面阵列，显著提升生产效率。

作用一：光学超构表面调控发光波长

在 OLED 显示器件中，获取红、绿、蓝（RGB）三基色像素单元的传统方式，是在器件内构建法布里 - 珀罗（F-P）腔，通过调节 F-P 共振腔的腔长，实现不同颜色像素单元的发光。如图 2 所示，若在 OLED 电极中集成光学超构表面，可通过改变电极的反射相位来调控器件内部的共振条件，从而在无需改变 OLED 器件厚度的情况下，实现 RGB 三基色发光颜色的调控。

集成超构表面的高分辨全彩OLEDs。（a）集成超构表面的OLEDs（meta-OLEDs）器件结构示意图；（b）超高密度RGB像素化的meta-OLEDs

作用二：光学超构表面调控发光方向

以 LEDs 和 OLEDs 为代表的常见光源，其远场发射轮廓多呈现近乎各向同性的朗伯式分布。若利用光学超构表面对器件内的光学模式进行选择性提取，可增强特定方向的光发射；结合梯度非均匀排列的相位梯度超构表面，还能定制远场辐射图案，实现器件的定向光发射（如图 3 所示）。此外，超构表面还可实现复杂的空间光调制与多自由度光束整形。

梯度超构表面调控发光方向

作用三：光学超构表面调控偏振光发射

偏振光源在 3D 显示、信息存储、信息加密等领域具有重要价值，而增强现实 / 虚拟现实（AR/VR）技术的快速发展，进一步推动了基于偏振光源的新型显示器件研发。传统在器件外部集成偏振光学元件的方式会导致严重能量损耗，难以满足产业化需求。基于光学超构表面的电磁场调控能力，将其集成至发光器件内部，通过对器件内光学模态的选择性调控，无需依赖偏振发光材料，即可实现高性能偏振发光器件的构建。

光学超构表面用于偏振发光调控。（a）偏振可调的钙钛矿发光晶体管；（b）基于周期性波纹超构表面的线偏振OLEDs

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报告全文：

张家硕, 毕宴钢, 冯晶. 基于光学超构表面光场调控的发光器件研究进展（特邀）[J]. 光学学报（网络版）, 2025, 2(9): 0902001.