science >> Wetenschap >  >> Fysica

Piëzo-elektrische micro-elektromechanische systeemgebaseerde optische meta-oppervlakken

2D-golffrontvorming met de MEMS-OMS. (A) Schematische voorstelling van spiegelachtige lichtreflectie door de MEMS-OMS vóór de activering, d.w.z., met de initiële kloof van ~ 350 nm tussen de OMS nanobrick-arrays en de MEMS-spiegel. Invallend licht wordt spiegelend gereflecteerd door de MEMS-OMS, ongeacht het OMS-ontwerp. (B en C) Schema van aangetoonde functionaliteiten, (B) afwijkende reflectie en (C) scherpstellen (afhankelijk van het OMS-ontwerp), geactiveerd door de MEMS-spiegel dicht bij het OMS-oppervlak te brengen, d.w.z., door de luchtspleet te verkleinen tot ~ 20 nm. Credit: wetenschappelijke vooruitgang , 10.1126/sciadv.abg5639

Optische meta-oppervlakken kunnen op ongekende wijze veelzijdige golffronten reguleren op subgolflengteschaal. De meest gevestigde optische meta-oppervlakken zijn, echter, statisch en hebben goed gedefinieerde optische reacties die worden bepaald door optische metaoppervlakconfiguraties die tijdens hun ontwikkeling zijn ingesteld. De dynamische configuraties van de tot nu toe onderzochte materialen vertonen vaak specifieke beperkingen en verminderde herconfigureerbaarheid. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Chao Meng en een onderzoeksteam in nanotechnologie, nano-optica, en elektronica in Denemarken, Noorwegen en China, combineerde een dunne-film piëzo-elektrisch micromechanisch systeem (MEMS) met een gap-surface plasmon-based optische metasurface (OMS). Met behulp van de opstelling, ontwikkelden ze een elektrisch aangedreven, dynamisch micro-elektromechanisch systeem-optisch metasurface-platform om fasen te reguleren naast amplitudemodulaties van het gereflecteerde licht door de MEMS-spiegel fijn te bedienen. Met behulp van dit platform, ze lieten zien hoe de componenten polarisatie-onafhankelijke bundelsturing en tweedimensionale focussering met hoge modulatie-efficiëntie en snelle reacties mogelijk maakten. Het platform biedt flexibele oplossingen om de complexe dynamiek van 2D-golffrontreguleringen te realiseren met toepassingen in herconfigureerbare en adaptieve optische netwerken en systemen.

optische meta-oppervlakken

Optische meta-oppervlakken vertegenwoordigen typisch subgolflengte dichte vlakke arrays van nanogestructureerde elementen, ook bekend als meta-atomen die zijn ontworpen om verstrooide optische velden en lokale faseregeling te bieden. Talloze toepassingen in het verleden hebben de vorming van golffronten in de vrije ruimte aangetoond, veelzijdige polarisatietransformaties, optische vortexgeneratie en optische holografie. Voor intelligentere en adaptievere systemen, waaronder lichtdetectie en -bereik (LIDAR) en optische tracking en communicatie in de vrije ruimte, of dynamische weergave en holografie, het is zeer wenselijk om optische meta-oppervlakken te ontwikkelen met herconfigureerbare functionaliteiten. In dit werk, Chao Meng en een team van wetenschappers combineerden een dunne-film piëzo-elektrisch MEMS (micromechanisch systeem) met het gap-surface plasmon-based optische metasurface (OMS) om een ​​elektrisch aangedreven dynamisch MEMS-OMS-platform te ontwikkelen. In de hoofdgedachte, ze maakten het conventionele op plasmon gebaseerde optische meta-oppervlak mogelijk om een ​​beweegbare achterreflector te vormen. De wetenschappers ontwierpen en ontwikkelden de OMS- en MEMS-spiegels om de verwerkingspaden te onderscheiden en combineerden ze vervolgens om aan beide kanten ontwerpvrijheid te garanderen met verminderde complexiteit tijdens de ontwikkeling. Het werk bood een continu afstembaar en herconfigureerbaar MEMS-OMS-platform met ultracompacte afmetingen en een laag stroomverbruik.

Polarisatie-onafhankelijke dynamische straalbesturing:ontwerp. (A) Schema van de OMS-eenheidscel inclusief de luchtspleet en gouden spiegel. (B) De complexe reflectiecoëfficiënt r berekend als een functie van de nanobrick-zijlengte Lx en luchtspleet ta, waarbij andere parameters als volgt zijn:λ =800 nm, tm =50 nm, Λ =250 nm, en Ly =Lx. Kleuring is gerelateerd aan de reflectie-amplitude, terwijl de magenta lijnen constante reflectiefasecontouren vertegenwoordigen. (C) reflectiefase (stippellijnen) en amplitude (ononderbroken lijnen) afhankelijkheden van de nanobrick-lengte Lx voor twee extreme luchtspleten:ta =20 nm (rood) en 350 nm (blauw). Cirkels vertegenwoordigen de nanobrick-afmetingen die zijn geselecteerd voor de OMS-supercel die is ontworpen voor dynamische straalbesturing. (D) bovenaanzicht en (E) dwarsdoorsnede van de ontworpen MEMS-OMS supercell. (F en G) Verdelingen van het gereflecteerde TM elektrisch veld (x component) bij 800 nm golflengte voor luchtspleten van ta =20 en 350 nm, respectievelijk. (H) Diffractie-efficiëntie van verschillende orden (|m| 1) berekend als een functie van de luchtspleet ta voor invallend TM/TE-licht met een golflengte van 800 nm. (I) Diffractie-efficiënties van verschillende orden (|m| ≤ 1) berekend bij de luchtspleet ta =20 nm als functie van de golflengte voor invallend TM/TE-licht. Credit: wetenschappelijke vooruitgang , 10.1126/sciadv.abg5639

de experimenten

Met behulp van dit platform, Meng et al. experimenteel toonde dynamische polarisatie-onafhankelijke bundelsturing en reflecterende 2D-focussering. Ze bedienden elektrisch de MEMS-spiegel om de MEMS-CMS-afstand te regelen, en toonde polarisatie-onafhankelijke dynamische reacties met grote modulatie-efficiënties. Het apparaat functioneerde bij een golflengte van 800 nm met een bundelstuurefficiëntie van 40 tot 46 procent voor transversale magnetische (TM) en transversale elektrische (TE) polarisaties. Het voorgestelde apparaat handhaafde een metaal-isolator-metaalstructuur bestaande uit een dikke goudlaag bovenop een siliciumsubstraat om de micro-elektromechanische systeemspiegel te vormen, terwijl 2D-arrays van gouden nanostenen op een glazen substraat de optische metasurface (OMS) -structuur vormden. De wetenschappers faciliteerden de voorgestelde functionele golflengte in het apparaat en observeerden de transformatie van de reflectiefaserespons om een ​​eenvoudige en ongecompliceerde benadering aan te geven om een ​​MEMS-OMS-chip te realiseren.

Het ontwerpen van de experimentele omstandigheden

  • MEMS-OMS-assemblage. (A) Typische foto van de MEMS-OMS-assemblage bestaande uit het OMS-patroon op een glazen substraat, een ultraplatte dunne film MEMS spiegel, en een printplaat (PCB) voor elektrische aansluiting. (B) optische microscopie en (C) SEM-afbeeldingen van de OMS die de 30 m bij 30 m en 250 nm-periode reeks van verschillende grootte gouden nanobricks vertegenwoordigen, ontworpen voor dynamische straalbesturing, vervaardigd bovenop een 10 μm hoge sokkel op het glazen substraat, en gebruikt in de MEMS-OMS-assemblage. Fotocredit:Chao Meng, Universiteit van Zuid-Denemarken. Credit: wetenschappelijke vooruitgang , 10.1126/sciadv.abg5639

  • Polarisatie-onafhankelijke dynamische straalbesturing:karakterisering. (A) optische beelden op het directe object (DI) en Fourier-beeld (FI) vlakken van het gereflecteerde licht van MEMS-OMS onder activeringsspanningen van Va1 =0,00 V (boven) en Va2 =3,75 V (midden) voor TM/TE normaal invallend licht met een golflengte van 800 nm. Gereflecteerd licht van ongestructureerd substraat (onder) in het MEMS-OMS-apparaat wordt ook als referentie geregistreerd. (B) Diffractie-efficiëntie van verschillende orden (|m| 1) gemeten als een functie van de activeringsspanning voor invallend TM/TE-licht met een golflengte van 800 nm. (C) Diffractie-efficiëntie van verschillende orden (|m| 1) gemeten als een functie van de golflengte voor invallend TM/TE-licht. (D) Reactietijd van de verschillende diffractieorders (m =0/+1) gemeten door de MEMS-spiegel te bedienen met een periodiek rechthoeksignaal. Credit: wetenschappelijke vooruitgang , 10.1126/sciadv.abg5639

  • Polarisatie-onafhankelijke dynamische 2D-focussering:karakterisering. (A) Focus efficiëntie gemeten als functie van de activeringsspanning voor TM/TE invallend licht met een golflengte van 800 nm. De inzet linksboven is een typisch SEM-beeld van de OMS dat een reeks van 14 μm-diameter en 250-nm-periode-array van gouden nanostenen van verschillende grootte vertegenwoordigt, ontworpen voor dynamische 2D-focussering. Schaalbalk, 2 m. De inzet rechtsonder illustreert de meetmethode waarbij de invallende bundel wordt gefocust op vlak A (brandpuntsvlak van het objectief) en botst op het ongestructureerde substraat of OMS-gebied van de MEMS-OMS op vlak B (2f afstand van het brandpunt) vlak van het objectief), resulterend in respectievelijk divergerende of gefocuste gereflecteerde velden. (B) optische beelden van het gereflecteerde licht van het ongestructureerde substraat en het OMS-gebied van de MEMS-OMS gepositioneerd op vlak B met activeringsspanningen van Vb1 =10,00 V en Vb2 =14,50 V voor invallend TM/TE-licht bij een golflengte van 800 nm. Het gereflecteerde licht van het ongestructureerde substraat en OMS-gebied van de MEMS-OMS gepositioneerd op vlak A werd ook geregistreerd als referentie. Credit: wetenschappelijke vooruitgang , 10.1126/sciadv.abg5639

Het team ontwierp vervolgens een MEMS-OMS-platform om polarisatie-onafhankelijke dynamische bundelsturing te realiseren met behulp van een afzonderlijk ontworpen optische microlens en een ultrasnelle MEMS-spiegel op een printplaat. De methode vereenvoudigde het ontwikkelingsproces, en ze karakteriseerden de afzonderlijke componenten van de experimentele opstelling met behulp van een optische microscoop en een scanning elektronenmicroscoop. Na het ontwerp en de fabricage van de opstelling, Meng et al. schatte de kleinst bereikbare opening tussen de MEMS-spiegel en het OMS-substraatoppervlak met behulp van interferometrie met meerdere golflengten. De waarde was zo klein als 100 nm, en de wetenschappers karakteriseerden de prestaties van het MEMS-OMS-platform met behulp van een golflengte-afstembare laser en optische, polarisatie- en beeldcomponenten. De dunnefilmspiegel overleefde meer dan 10 11 cycli voor standaard operationele omstandigheden om optische, capacitieve en piëzoresistieve detectie, het MEMS-apparaat zou ook een resonantiefrequentie kunnen handhaven zonder instabiliteit. Om de dynamische focusmechanismen achter het MEMS-OMS-apparaat te begrijpen, Meng et al. bediende de spiegel elektrisch en observeerde de overeenkomstige optische reacties in het directe objectvlak en verifieerde het focusseringseffect met behulp van een gefocusseerde invallende bundel.

Outlook

Op deze manier, Chao Meng en collega's ontwikkelden een elektrisch aangedreven dynamisch MEMS-OMS-platform dat een dunne-film piëzo-elektrische MEMS-spiegel combineerde met optische meta-oppervlakken. Het platform bood gereguleerde fase- en amplitudemodulatie van het gereflecteerde licht door de MEMS-spiegel fijn te bedienen. De wetenschappers ontwierpen en toonden de MEMS-OMS-apparaten die functioneren in het nabij-infrarode golflengtebereik om een ​​snelle en efficiënte functie op te merken. De experimentele opstelling kan worden verbeterd door de vereiste te omzeilen om de opening tussen de MEMS-spiegel en het OMS-oppervlak te verkleinen. Met behulp van het in dit werk ontwikkelde apparaat, Meng et al. realiseerde diverse functionaliteit en dynamische herconfigureerbare prestaties om fascinerende perspectieven te openen en hoge prestaties te realiseren, dynamisch bestuurde apparaten met mogelijke toekomstige toepassingen in herconfigureerbare en adaptieve optische systemen.

© 2021 Science X Network




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Biologen kijken naar het verleden voor vroege genetische ontwikkeling van kleine spinnen- en insectenogen
  2. Roofzuchtige bacteriën gevonden in studie van longmicrobioom van patiënten met cystische fibrose
  3. Ter verdediging van kamsalamanders - waarom deze ongrijpbare amfibieën de moeite waard zijn?
  4. Menselijke anatomieprojecten
  5. Goud zeven uit de datastroom
  6. Kweek vers voedsel in uw huis - verticaal
  7. Verlichting aan het water verstoort de natuur in het omliggende ecosysteem drastisch
  8. Welke organellen bevinden zich in een prokaryote cel?
  9. Wat is Ceramide?

Wetenschap