Dielektriske metaoverflader til næste generations hologrammer

Metasurfaces er optisk tynde metamaterialer, der kan styre lysets bølgefront fuldstændigt, selvom de primært bruges til at styre lysets fase. I en ny rapport, Adam C. Overvig og kolleger i afdelingerne for anvendt fysik og anvendt matematik ved Columbia University og Center for Functional Nanomaterials på Brookhaven National Laboratory i New York, OS., præsenteret en ny undersøgelsesmetode, nu offentliggjort den Lys:Videnskab og applikationer . Det enkle koncept brugte meta-atomer med en varierende grad af form-dobbeltbrydning og rotationsvinkler til at skabe højeffektive dielektriske metaoverflader med evne til at kontrollere optisk amplitude (maksimal udstrækning af en vibration) og fase ved en eller to frekvenser. Værket åbnede applikationer i computergenereret holografi til trofast at gengive fasen og amplituden af ​​en holografisk målscene uden at bruge iterative algoritmer, der typisk er nødvendige under fase-only holografi.

Holdet demonstrerede al-dielektriske metasurface hologrammer med uafhængig og fuldstændig kontrol af amplituden og fasen. De brugte to samtidige optiske frekvenser til at generere todimensionale (2-D) og 3-D hologrammer i undersøgelsen. Fase-amplitude metasurfaces tillod yderligere funktioner, der ikke kunne opnås med fase-only holografi. Funktionerne omfattede artefaktfrie 2-D hologrammer, evnen til at indkode separate fase- og amplitudeprofiler på objektplanet og indkode intensitetsprofiler på metaoverfladen og objektplanerne separat. Ved hjælp af metoden, forskerne kontrollerede også overfladeteksturerne af 3-D holografiske objekter.

Lysbølger har fire nøgleegenskaber, herunder amplitude, fase, polarisering og optisk impedans. Materialeforskere bruger metamaterialer eller "metasurfaces" til at indstille disse egenskaber ved bestemte frekvenser med subbølgelængde, Rumlig opløsning. Forskere kan også konstruere individuelle strukturer eller "meta-atomer" for at lette en række optiske funktionaliteter. Enhedens funktionalitet er i øjeblikket begrænset af muligheden for at kontrollere og integrere alle fire lysegenskaber uafhængigt i laboratoriet. Tilbageslag omfatter udfordringer med at udvikle individuelle metaatomer med varierende responser ved en ønsket frekvens med en enkelt fremstillingsprotokol. Forskningsstudier brugte tidligere metalliske scatterere på grund af deres stærke lys-stof-interaktioner for at eliminere iboende optiske tab i forhold til metaller, mens de brugte tabsfri dielektriske platforme til højeffektiv fasekontrol - den vigtigste egenskab for bølgefrontkontrol. Yderligere nylige bestræbelser har forsøgt at kontrollere mere end én parameter ad gangen og danne akromatiske metaoverflader, dispersionskonstruerede enheder og flerfarvede hologrammer.

I nærværende arbejde, Overvig et al. præsenteret en metasurface-platform med vilkårlig og samtidig kontrol af amplituden og fasen ved hjælp af telekommunikationsfrekvenser inden for en enhed af transmissionstypen. De kontrollerede amplituden ved at variere konverteringseffektiviteten af ​​cirkulært polariseret lys med enhåndsstyrke til den modsatte håndhed (venstre mod højre) ved hjælp af strukturelt dobbeltbrydende (en lysstråle, der falder ind på et materiale opdeles i to som almindelige og ekstraordinære stråler) meta- atomer, mens man kontrollerer fasen via in-plan orientering af meta-atomerne. Tilgangen generaliserede en velundersøgt meta-overfladeplatform, der anvendte den "geometriske" eller "Pancharatnam-Berry" fase til samtidig kontrol af amplitude og fase.

Tilgangen kunne let generaliseres til synlige frekvenser inden for CMOS-kompatible dielektriske metaoverflader. For at demonstrere fordelene ved forsøget, de sammenlignede computergenererede hologrammer med fase-og-amplitude (PA) metasurfaces og hologrammer genereret med fase-only (PO) metasurfaces for at vise, at kun PA-konstruktionerne kunne skabe artefaktfri holografiske billeder. Overvig et al. implementeret PA-holografi til at konstruere metasurface-hologrammer med high-fidelity for at danne kunstneriske og komplekse, tredimensionelle (3-D) holografiske objekter. De skabte og optimerede metaoverflader med to frihedsgrader pr. pixel for at kontrollere amplituden og fasen i objektplanet. Forskergruppen udvidede den enkle ordning til at omfatte strukturel spredningsteknik af meta-atomer og samtidig kontrollere fasen og amplituden af ​​tofarvede hologrammer.

Forskere har længe brugt den geometriske fase tilgang til rumligt at variere lysfasen i en proces, der kan implementeres teknisk ved blot at ændre orienteringen af ​​et dobbeltbrydende materiale. I dette arbejde, teamet varierede eksperimentelt graden af ​​dobbeltbrydning fra venstre cirkulært polariseret lys (LCP) til højre cirkulært polariseret (RCP) lys for uafhængigt at styre den optiske amplitude og fase. De skabte også et meta-atom-bibliotek og visualiserede den handling, det udførte ved hjælp af stier langs en Poincaré-sfære. Som en proof-of-concept implementering, forskerne valgte en driftsbølgelængde på 1,55 µm og konstruerede en CMOS-kompatibel platform af amorfe siliciummetaoverflader (α-Si) på fusionerede silicasubstrater. De modellerede derefter målmeta-atombiblioteket ved hjælp af tidsbegrænsede tidsdomænesimuleringer og viste numerisk vilkårlig kontrol af amplituden og fasen.

For komplet eksperimentel kontrol af amplituden og fasen, Overvig et al. implementerede computergenererede hologrammer (CGH'er). Den første CGH genererede et todimensionalt (2-D) holografisk billede ved hjælp af PA holografi med forbedret billedgengivelse sammenlignet med versionerne dannet med PO holografi. I den anden CGH skabte de en simpel, 3D-holografisk billede, der indeholder en samling punkter, der viser afhængigheden af ​​3D-holografi på brændplanet og observationsvinklen. Den tredje CGH demonstrerede den trofaste rekonstruktion af et komplekst 3-D holografisk objekt i form af en ko - dette indikerede evnen til at konstruere kunstnerisk interessante og komplekse scener. Holdet simulerede ru eller glatte overfladeteksturer ved hjælp af en tilfældig eller ensartet fordeling af spredt fase på overfladen af ​​en ko. Den fjerde version viste mulighed for separat at kode fasen og amplituden ved objektplanet for at rekonstruere et Yin-Yang-tegn, hvorimod den femte CGH kodede et holografisk billede med fasefordelingen af ​​et gråtonehologram af Columbia-kronen, det officielle emblem for Columbia Engineering, Columbia University.

Under rekonstruktionen af ​​Columbia Engineering-logoet for at generere en 2-D CGH, holdet diskretiserede et målbillede til dipolkilder med amplituder på én (område inde i logoet) og nul (baggrunden) og en ensartet fase. De registrerede interferensen af ​​disse dipolkilder fra målbilledet til en specifik afstand (750 μm), som svarede til metaoverfladens placering for at rekonstruere målbilledet. Når du rekonstruerer det andet PO-hologram af Columbia-kronen, Overvig et al. brugt en alternativ fremgangsmåde kendt som Gerchberg-Saxton (GS) algoritmen til at generere den ønskede intensitetsfordeling af målbilledet. De krævede ikke lignende iterationer med PA holografi, hvilket gjorde det muligt for dem trofast at gengive både fase og amplitude af det ønskede hologram. Forskerne rekonstruerede hvert holografisk billede ved hjælp af numeriske simuleringer og eksperimenter og observerede forbedret billedkvalitet i PA -hologrammet sammenlignet med PO- eller GS -hologrammer.

PA holografi tillod også forskerne at kontrollere amplitudeprofilerne af to separate planer i stedet for amplituden og fasen i et enkelt plan. De producerede holografiske billeder og viste god overensstemmelse mellem eksperimentelle rekonstruktioner og simuleringer. Forskerne udvidede den enkle tilgang til at styre fasen og amplituden uafhængigt ved to separate bølgelængder. Hvor de samtidig kontrollerede fire bølgefrontparametre ved hvert meta-atom, som eksperimentelt krævede mere end to frihedsgrader. Teamet forlængede tidligere bestræbelser på at inkludere dobbeltbrydning under meta-atom-design for ekspansivt at styre faseresponset af de almindelige og ekstraordinære polarisationer (dobbeltbrydning) af de to bølgelængder.

Efter at de havde brugt scanningselektronmikrografer til at observere de fremstillede enheder, de erhvervede eksperimentelle rekonstruktioner i to farver ved at justere LCP-excitation ved en bølgelængde på 1,65 µm (rød kanal) og en RCP-excitation ved en bølgelængde på 0,94 µm (blå kanal). Antallet af meta-atomer, der krævede simulering, var cirka 60, 000 i undersøgelsen, hvilket repræsenterede en skræmmende beregningsopgave for nøjagtighed, der er højere end den, der er opnået i øjeblikket. Overvig et al. begrænsede derfor undersøgelsen til den nuværende uperfekte, men beregningsmæssigt håndterbare løsning.

På denne måde Adam C. Overvig og et tværfagligt forskerhold demonstrerede metasurface-hologrammer ved hjælp af dielektriske metasurfaces med lavt tab. De drev konstruktionerne i transmissionstilstand med fuldstændig og uafhængig fase- og amplitudekontrol ved en og to bølgelængder, ved hjælp af et simpelt, men kraftfuldt designprincip til at åbne en grad af kontrol over optiske bølgelængder, der er nyttige til mange applikationer. Værket tilbyder en robust og bredt anvendelig metode til at manipulere en optisk bølgefront efter behag og derved realisere det primære løfte om metasurfaces.

© 2019 Science X Network