【發布日期】: 2015-04-14
超穎介面是一種新的人工材料，其廣義的定義為以次波長尺度的微小結構，在次波長的週期下所排列而成的一種光學表面。與過往常見的光學元件相較，超穎介面最大的特點，就在其厚度僅為操作波長的十分之一以下(約20~100 奈米)。而就在這幾乎是一平整的表面上，超穎介面能夠藉由次波長結構的設計自由度，達到過往元件(厚度自半波長乃至數公分)所無法展現的功能性。因應智慧型手機與平板電腦的普及化，未來這些高科技產品勢必走向更輕更薄，但其輕薄性卻受限於傳統光學元件的厚度。而超穎介面的出現，帶來了一個極具震撼的新未來－－平面光學(flat optics)的誕生。因此超穎介面一問世，即受到學術界與產業界的廣泛重視。以產業界為例，當以Google手機部門最為積極布局，自2012年即與哈佛大學團隊探討利用超穎介面來取代一切手機中光學控制元件的可能性。
本校電機系暨光電所黃承彬老師研究群，於近期首度展示了利用不攜帶任何角動量的遠場線性偏振激發光，就能夠在一個金薄膜超穎介面上，創造出攜帶軌域角動量的近場電漿子漩渦。此一可能性歸結於團隊對超穎介面設計上的全新觀點，突破了過往超穎介面元件停留在遠場激發、遠場量測的框套。本論文中提出了完整的原創設計理念、數值模擬、以及近場光學之實驗證據。
研究團隊中的谷禎達同學是此篇論文的重要靈魂人物。2013年12月，他在一次研討會中發表了利用金屬表面將遠場圓偏振光轉換成近場軌域角動量之成果。在口頭報告結束之際，主持人問及能否用線性偏振態取代原本入射的圓偏振光?根據谷禎達的記憶，他完全沒有看過這種做法，因此無法完整回答。雖然研討會結束了，但這個疑問卻沒有在谷楨達的心中消失。結束了手邊論文修改的工作後，谷禎達不斷地思考會議主持人的提問，「能不能用他所說的線偏振達到我原本要的圓偏振現象?」
經過幾個月的反覆思考，谷禎達腦海中浮出「天線」這樣兩端可產生正負場並可傳波的物品，他說：「用兩根天線交叉放，可以模擬出一個類似圓偏振的現象，這個現象就可以代替我們原本入射光的圓偏振光。」歷經好幾次的嘗試與失敗，谷禎達終於設計出最佳的排列十字天線的方式，只要在金薄膜上用空氣淘挖出十字天線，並將多個相同的十字天線排列出特殊的掌性形狀後，打入線偏振就可以創造出電漿子漩渦。在實驗上，經過團隊中陳境馥同學日以繼夜的實驗與反覆驗證下，終於在2014年底，成功在金薄膜超穎介面上創造出擁有近場軌域角動量的電漿子漩渦，或是超聚焦兩種截然不同的近場光學功能。
這驚人的結果改革了傳統的實驗思維與模式，一是傳統在研究超穎介面時，研究人員通常用遠場的激發光去觀測遠場現象，但谷同學和陳同學卻是利用遠場激發光觀測近場光學現象。二是過往研究人員通常需使用遠場的圓偏振光才能產生漩渦場，但透過谷同學所設計具十字特殊排列形狀的金薄膜，打入不帶任何角動量的線性偏振光，就可隨心所欲憑空去製造出近場的角動量。這兩項創新突破大大簡化了傳統製造近場角動量的時間和實驗步驟，震撼電漿子光學領域界，獲得電漿子光學領域中最重要期刊Nano Letters的重視，具重大意義。
「這一刻真的是我執教生涯中最感動、最開心、最有成就感的一刻。」黃承彬老師說。這項設計理念的發想全來自於碩士班學生谷禎達同學的不服輸，「多半的學生在研討會報告結束後就算了，但他卻將這個提問長期留在心中，更難得的是去努力實踐、嘗試可能性。」而陳境馥同學更以過人的耐心和專注力進行無數次的費時實驗，模擬出真實且完美的數值，兩人也汲取前兩代碩士畢業生所累積的經驗，不斷努力嘗試新的可能。黃承彬老師說：「我只是扮演辯證學生發現的角色，確保如此棒的想法能夠得到廣泛的注目。對一個教師而言，學生能青出於藍更勝於藍，這項喜悅遠超過研究成果獲得突破的感動。」他笑說，「我的學生都是碩士生，在我冷酷的鐵血訓練下，在實驗室裡無怨無悔、不分晝夜的辛勤付出，我要對他們致上最誠懇的敬意。」
黃承彬老師強調，今日團隊能獲得這項突破，更要感謝許多校內外資深教師，尤其是材料系林鶴南教授和中研院應用科學中心的魏培坤副主任。林鶴南教授大方地將其近場量測儀器出借給團隊進行實驗；魏培坤副主任則提供超完美的自製近場光學探針，傾力支持資助團隊，讓團隊在實驗上得到完美的數據。沒有這些重要的儀器資源，團隊無法取得如此重要的成果。
最難能可貴的是，本工作中所涉及的電漿子光學，以及所使用的近場光學掃描顯微鏡，是黃老師自2008年返清華任教後才開始投入的新領域。歷經將近七年，累積了四代學生的血淚，外加期間黃老師獲得本校電機資訊學院提供之年輕教師短期赴外研究獎勵下，於2011年暑假遠赴德國取經之成果，本項工作中的近場光學實驗成果，獲得了所有論文審稿人的極力推崇。黃老師研究群預期此一突破，將可在光學捕捉、光驅轉動、分子與生物分類等多項尖端技術上，獲得廣泛的實用性。
清華電機系暨光電所碩士班學生谷禎達(左)與陳境馥(右)發表超穎介面研究成果，獲電漿子光學領域高度重視，研究成果登上Nano Letters。指導老師黃承彬副教授(中)表示:「感謝谷禎達同學的毅力執著與陳境馥同學的認真堅持，這是執教生涯以來最欣慰的一刻。」
本研究成果已刊載於Nano Letters之上。
C.-F. Chen, C.-T. Ku, Y.-H. Tai, P.-K. Wei, and C.-B. Huang*, “Creating optical near-field orbital angular momentum in a gold metasurface,” Nano Letters DOI:10.1021/acs.nanolett.5b00601 (2015).http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5b00601