Meta-oppervlakken zijn optisch dunne metamaterialen die het golffront van licht volledig kunnen beheersen, hoewel ze voornamelijk worden gebruikt om de lichtfase te regelen. In een nieuw rapport Adam C. Overvig en collega's van de afdelingen Toegepaste Natuurkunde en Toegepaste Wiskunde aan de Columbia University en het Centrum voor Functionele Nanomaterialen van het Brookhaven National Laboratory in New York, ONS., presenteerde een nieuwe studiebenadering, nu gepubliceerd op Licht:wetenschap en toepassingen . Het eenvoudige concept gebruikte meta-atomen met een variërende mate van dubbele breking en rotatiehoeken om zeer efficiënte diëlektrische meta-oppervlakken te creëren met het vermogen om de optische amplitude (maximale omvang van een trilling) en fase bij één of twee frequenties te regelen. Het werk opende toepassingen in door de computer gegenereerde holografie om de fase en amplitude van een holografische doelscène getrouw te reproduceren zonder iteratieve algoritmen te gebruiken die typisch vereist zijn tijdens holografie met alleen fase.

Het team demonstreerde volledig diëlektrische metasurface-hologrammen met onafhankelijke en volledige controle over de amplitude en fase. Ze gebruikten twee gelijktijdige optische frequenties om in het onderzoek tweedimensionale (2-D) en 3D-hologrammen te genereren. De meta-oppervlakken van fase-amplitude maakten extra functies mogelijk die niet konden worden bereikt met holografie met alleen fase. De functies omvatten artefactvrije 2D-hologrammen, het vermogen om afzonderlijke fase- en amplitudeprofielen op het objectvlak te coderen en intensiteitsprofielen op het meta-oppervlak en objectvlakken afzonderlijk te coderen. Met behulp van de methode, de wetenschappers controleerden ook de oppervlaktestructuren van 3D holografische objecten.

Lichtgolven hebben vier belangrijke eigenschappen, waaronder amplitude, fase, polarisatie en optische impedantie. Materiaalwetenschappers gebruiken metamaterialen of "metasurfaces" om deze eigenschappen af ​​te stemmen op specifieke frequenties met subgolflengte, ruimtelijke resolutie. Onderzoekers kunnen ook individuele structuren of "meta-atomen" ontwerpen om een ​​verscheidenheid aan optische functionaliteiten mogelijk te maken. De functionaliteit van het apparaat wordt momenteel beperkt door de mogelijkheid om alle vier de eigenschappen van licht onafhankelijk in het laboratorium te regelen en te integreren. Tegenslagen omvatten uitdagingen van het ontwikkelen van individuele meta-atomen met verschillende reacties op een gewenste frequentie met een enkel fabricageprotocol. Onderzoeksstudies gebruikten eerder metalen verstrooiers vanwege hun sterke interacties tussen licht en materie om inherente optische verliezen ten opzichte van metalen te elimineren, terwijl verliesvrije diëlektrische platforms werden gebruikt voor zeer efficiënte faseregeling - de belangrijkste eigenschap voor golffrontregeling. Bijkomende recente inspanningen hebben geprobeerd om meer dan één parameter tegelijk te beheersen en achromatische meta-oppervlakken te vormen, door dispersie ontworpen apparaten en veelkleurige hologrammen.

In het huidige werk, Overvig et al. presenteerde een metasurface-platform met willekeurige en gelijktijdige controle van de amplitude en fase met behulp van telecommunicatiefrequenties binnen een apparaat van het transmissietype. Ze regelden de amplitude door de conversie-efficiëntie van circulair gepolariseerd licht van eenhandigheid te variëren naar de tegenovergestelde handigheid (van links naar rechts) met behulp van structureel dubbelbrekend (een lichtstraal die op een materiaal valt, wordt in tweeën gesplitst als gewone en buitengewone stralen) meta- atomen, terwijl de fase wordt bestuurd via de oriëntatie in het vlak van de metaatomen. De aanpak veralgemeniseerde een goed bestudeerd meta-oppervlakplatform dat de "geometrische" of "Pancharatnam-Berry" -fase gebruikte voor de gelijktijdige controle van amplitude en fase.

De benadering kan gemakkelijk worden gegeneraliseerd naar zichtbare frequenties binnen CMOS-compatibele diëlektrische meta-oppervlakken. Om de voordelen van het experiment aan te tonen, ze vergeleken computer-gegenereerde hologrammen met fase-en-amplitude (PA) meta-oppervlakken en hologrammen gegenereerd met alleen-fase (PO) meta-oppervlakken om aan te tonen dat alleen de PA-constructies artefactvrije holografische afbeeldingen konden creëren. Overvig et al. PA-holografie geïmplementeerd om metasurface-hologrammen met high-fidelity te engineeren om artistieke en complexe, driedimensionale (3D) holografische objecten. Ze creëerden en optimaliseerden meta-oppervlakken met twee vrijheidsgraden per pixel om de amplitude en fase in het objectvlak te regelen. Het onderzoeksteam breidde het eenvoudige schema uit om structurele dispersie-engineering van meta-atomen op te nemen en tegelijkertijd de fase en amplitude van tweekleurige hologrammen te regelen.

Onderzoekers gebruiken de geometrische fasebenadering al lang om de lichtfase ruimtelijk te variëren in een proces dat technisch kan worden geïmplementeerd door simpelweg de oriëntatie van een dubbelbrekend materiaal te veranderen. In dit werk, het team varieerde experimenteel de mate van dubbele breking van links circulair gepolariseerd licht (LCP) tot rechts circulair gepolariseerd (RCP) licht om de optische amplitude en fase onafhankelijk te regelen. Ze creëerden ook een meta-atoombibliotheek en visualiseerden de actie die het uitvoerde met behulp van paden langs een Poincaré-bol. Als proof-of-concept implementatie, de onderzoekers kozen een operationele golflengte van 1,55 µm en ontwikkelden een CMOS-compatibel platform van amorfe siliciummetasurfaces (α-Si) op ​​fused silicasubstraten. Vervolgens modelleerden ze de doel-meta-atoombibliotheek met behulp van eindige-verschil tijdsdomeinsimulaties en demonstreerden numeriek willekeurige controle van de amplitude en fase.

Voor volledige experimentele controle van de amplitude en fase, Overvig et al. computer-gegenereerde hologrammen (CGH's) geïmplementeerd. De eerste CGH genereerde een tweedimensionaal (2-D) holografisch beeld met behulp van PA-holografie met verbeterde beeldgetrouwheid in vergelijking met de versies gevormd met PO-holografie. In de tweede CGH creëerden ze een eenvoudige, 3-D holografische afbeelding met een verzameling punten om de afhankelijkheid van 3D-holografie op het brandvlak en de waarnemingshoek te tonen. De derde CGH demonstreerde de getrouwe reconstructie van een complex 3D-holografisch object in de vorm van een koe - dit duidde op het vermogen om artistiek interessante en complexe scènes te maken. Het team simuleerde ruwe of gladde oppervlaktestructuren met behulp van een willekeurige of uniforme verdeling van verspreide fase op het oppervlak van een koe. De vierde versie toonde het vermogen om de fase en amplitude afzonderlijk te coderen in het objectvlak om een ​​Yin-Yang-teken te reconstrueren, terwijl de vijfde CGH een holografisch beeld codeerde met de faseverdeling van een grijsschaalhologram van de Columbia-kroon, het officiële embleem voor Columbia Engineering, Universiteit van Colombia.

Tijdens de reconstructie van het Columbia Engineering-logo om een ​​2-D CGH te genereren, het team heeft een doelbeeld gediscretiseerd in dipoolbronnen met amplitudes van één (gebied binnen het logo) en nul (de achtergrond) en een uniforme fase. Ze registreerden de interferentie van deze dipoolbronnen van het doelbeeld tot een specifieke afstand (750 m), die overeenkwam met de locatie van het meta-oppervlak om het doelbeeld te reconstrueren. Bij het reconstrueren van het tweede PO-hologram van de Columbia-kroon, Overvig et al. gebruikte een alternatieve benadering die bekend staat als het Gerchberg-Saxton (GS) -algoritme om de gewenste intensiteitsverdeling van het doelbeeld te genereren. Ze hadden geen vergelijkbare iteraties nodig met PA-holografie, waardoor ze zowel de fase als de amplitude van het gewenste hologram getrouw konden reproduceren. De onderzoekers reconstrueerden elk holografisch beeld met behulp van numerieke simulaties en experimenten en observeerden een verbeterde beeldkwaliteit in het PA-hologram in vergelijking met PO- of GS-hologrammen.

PA-holografie stelde de wetenschappers ook in staat om de amplitudeprofielen van twee afzonderlijke vlakken te regelen in plaats van de amplitude en fase op een enkel vlak. Ze produceerden holografische beelden en toonden een goede overeenkomst tussen experimentele reconstructies en simulaties. De wetenschappers breidden de eenvoudige benadering uit om de fase en amplitude onafhankelijk op twee afzonderlijke golflengten te regelen. Waarbij ze gelijktijdig vier golffrontparameters bij elk metaatoom controleerden, die experimenteel vereist meer dan twee vrijheidsgraden. Het team breidde eerdere inspanningen uit om dubbele breking op te nemen tijdens het ontwerp van metaatomen om de faserespons van de gewone en buitengewone polarisaties (dubbele breking) van de twee golflengten uitgebreid te regelen.

Nadat ze scanning-elektronenmicrofoto's hadden gebruikt om de gefabriceerde apparaten te observeren, ze verkregen tweekleurige experimentele reconstructies door LCP-excitatie op een golflengte van 1,65 m (rood kanaal) en een RCP-excitatie op een golflengte van 0,94 m (blauw kanaal) uit te lijnen. Het aantal meta-atomen waarvoor simulatie nodig was, was ongeveer 60, 000 in de studie, die een ontmoedigende rekenkundige taak vertegenwoordigde voor een nauwkeurigheid die hoger was dan die welke momenteel wordt bereikt. Overvig et al. daarom beperkte de studie tot de huidige onvolmaakte maar rekenkundig beheersbare oplossing.

Op deze manier, Adam C. Overvig en een interdisciplinair onderzoeksteam demonstreerden metasurface hologrammen met behulp van low-loss diëlektrische metasurfaces. Ze bedienden de constructies in transmissiemodus met volledige en onafhankelijke fase- en amplituderegeling op één en twee golflengten, gebruik makend van een eenvoudig maar krachtig ontwerpprincipe om een ​​zekere mate van controle over optische golflengten te openen die nuttig zijn voor veel toepassingen. Het werk biedt een robuuste en breed toepasbare methode om een ​​optisch golffront naar believen te manipuleren en daarmee de primaire belofte van meta-oppervlakken te realiseren.

© 2019 Wetenschap X Netwerk