Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van professor Min Seok Jang van KAIST en professor Victor W. Brar van de Universiteit van Wisconsin-Madison heeft een breed toepasbare methodologie gedemonstreerd die een volledige 360° actieve fasemodulatie voor meta-oppervlakken mogelijk maakt met behoud van significante niveaus van uniforme lichtamplitude . Deze strategie kan in principe worden toegepast op elk spectraal gebied met alle structuren en resonanties die daarbij passen.

Metasurfaces zijn optische componenten met gespecialiseerde functionaliteiten die onmisbaar zijn voor real-life toepassingen, variërend van LIDAR en spectroscopie tot futuristische technologieën zoals onzichtbaarheidsmantels en hologrammen. Ze staan ​​bekend om hun compacte en micro/nano-formaat, waardoor ze kunnen worden geïntegreerd in elektronische geautomatiseerde systemen met afmetingen die steeds kleiner worden, zoals voorspeld door de wet van Moore.

Om dergelijke innovaties mogelijk te maken, moeten meta-oppervlakken in staat zijn om het invallende licht te manipuleren, door ofwel de amplitude of fase (of beide) van het licht te manipuleren en het weer uit te zenden. Het dynamisch moduleren van de fase met het volledige cirkelbereik is echter een notoir moeilijke taak geweest, en zeer weinig werken zijn erin geslaagd dit te doen door een aanzienlijke hoeveelheid amplituderegeling op te offeren.

Uitgedaagd door deze beperkingen, stelde het team een ​​algemene methodologie voor waarmee meta-oppervlakken een dynamische fasemodulatie kunnen implementeren met het volledige 360°-fasebereik, terwijl tegelijkertijd significante niveaus van amplitude behouden blijven.

De onderliggende reden voor de moeilijkheid om zo'n prestatie te bereiken, is dat er een fundamentele afweging is met betrekking tot het dynamisch regelen van de optische fase van licht. Meta-oppervlakken vervullen over het algemeen zo'n functie door optische resonanties, een excitatie van elektronen in de meta-oppervlakstructuur die harmonisch samen met het invallende licht oscilleren. Om over het hele bereik van 0-360° te kunnen moduleren, moet de optische resonantiefrequentie (het centrum van het spectrum) sterk worden afgestemd terwijl de lijnbreedte (de breedte van het spectrum) tot een minimum wordt beperkt . Om echter de optische resonantiefrequentie van het meta-oppervlak op aanvraag elektrisch af te stemmen, moet er een controleerbare in- en uitstroom van elektronen in het meta-oppervlak zijn en dit leidt onvermijdelijk tot een grotere lijnbreedte van de bovengenoemde optische resonantie.

Het probleem wordt nog verergerd door het feit dat de fase en de amplitude van optische resonanties nauw gecorreleerd zijn op een complexe, niet-lineaire manier, waardoor het erg moeilijk is om substantiële controle over de amplitude te houden terwijl de fase verandert.

Het werk van het team omzeilde beide problemen door twee optische resonanties te gebruiken, elk met specifiek aangewezen eigenschappen. Eén resonantie zorgt voor de ontkoppeling tussen de fase en de amplitude, zodat de fase kan worden afgestemd terwijl significante en uniforme amplitudeniveaus worden gehandhaafd, evenals een smalle lijnbreedte.

De andere resonantie biedt de mogelijkheid om in grote mate voldoende te worden afgestemd, zodat het volledige volledige cirkelbereik van fasemodulatie haalbaar is. De essentie van het werk is dan om de verschillende eigenschappen van de twee resonanties te combineren door middel van een fenomeen genaamd vermeden kruising, zodat de interacties tussen de twee resonanties leiden tot een samensmelting van de gewenste eigenschappen die de volledige 360° fasemodulatie bereikt en zelfs overtreft. met uniforme amplitude.

Professor Jang zei:"Ons onderzoek stelt een nieuwe methodologie voor dynamische fasemodulatie voor die de conventionele limieten en compromissen doorbreekt, terwijl het breed toepasbaar is in verschillende soorten meta-oppervlakken. We hopen dat dit idee onderzoekers helpt bij het implementeren en realiseren van veel belangrijke toepassingen van meta-oppervlakken, zoals LIDAR en hologrammen, zodat de nanofotonica-industrie blijft groeien en een betere technologische toekomst biedt."

Het onderzoekspaper geschreven door Ju Young Kim en Juho Park, et al., en getiteld "Full 2π Tunable Phase Modulation Using Avoided Crossing of Resonances" werd gepubliceerd in Nature Communications op 19 april. + Verder verkennen

Nieuw op grafeen gebaseerd meta-oppervlak dat in staat is tot onafhankelijke amplitude- en faseregeling van licht