Piezoelektriske mikroelektromekaniske systembaserede optiske metaoverflader

Optiske metaoverflader kan uden fortilfælde regulere alsidige bølgefronter på subbølgelængdeskalaen. De fleste veletablerede optiske metaoverflader er, imidlertid, statiske og har veldefinerede optiske responser, der bestemmes af optiske metasurface-konfigurationer sat under deres udvikling. De dynamiske konfigurationer af de hidtil undersøgte materialer viser ofte specifikke begrænsninger og reduceret rekonfigurerbarhed. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskabens fremskridt , Chao Meng og et forskerhold i nanoteknologi, nano-optik, og elektronik i Danmark, Norge og Kina, kombineret et tyndfilm piezoelektrisk mikromekanisk system (MEMS) med en gap-overflade plasmon-baseret optisk metasurface (OMS). Ved at bruge opsætningen, de udviklede en elektrisk drevet, dynamisk mikroelektromekanisk system-optisk metasurface-platform til at regulere faser sammen med amplitudemodulationer af det reflekterede lys ved fint at aktivere MEMS-spejlet. Ved at bruge denne platform, de viste, hvordan komponenterne gav polarisationsuafhængig strålestyring og todimensionel fokusering med høj modulationseffektivitet og hurtig respons. Platformen tilbyder fleksible løsninger til at realisere kompleks dynamik i 2D-bølgefrontreguleringer med applikationer i rekonfigurerbare og adaptive optiske netværk og systemer.

Optiske metaflader

Optiske metaoverflader repræsenterer typisk sub-bølgelængde tætte planare arrays af nanostrukturerede elementer også kendt som meta-atomer, der er designet til at tilbyde spredte optiske felter og lokal faseregulering. Adskillige applikationer i fortiden har demonstreret frirumsbølgefrontformning, alsidige polarisationstransformationer, optisk vortexgenerering og optisk holografi. For mere intelligente og adaptive systemer, herunder lysdetektion og rækkevidde (LIDAR) samt frirum optisk sporing og kommunikation, eller dynamisk fremvisning og holografi, det er yderst ønskeligt at udvikle optiske metaoverflader med rekonfigurerbare funktionaliteter. I dette arbejde, Chao Meng og et team af forskere kombinerede et tyndfilm piezoelektrisk MEMS (mikromekanisk system) med den gap-surface plasmon-baserede optiske metasurface (OMS) for at udvikle en elektrisk drevet dynamisk MEMS-OMS platform. I hovedideen, de lettede den konventionelle spalteoverflade plasmon-baserede optiske metasurface til at danne en bevægelig bagreflektor. Forskerne designede og udviklede OMS- og MEMS-spejlene for at skelne behandlingsvejene og kombinerede dem derefter for at sikre designfrihed på begge sider med reduceret kompleksitet under udviklingen. Arbejdet bød på en kontinuerligt tunerbar og rekonfigurerbar MEMS-OMS platform med ultrakompakte dimensioner og lavt strømforbrug.

Ved at bruge denne platform, Meng et al. eksperimentelt viste dynamisk polarisationsuafhængig strålestyring og reflekterende 2D-fokusering. De aktiverede MEMS-spejlet elektrisk for at regulere MEMS-CMS-afstanden, og viste polarisationsuafhængige dynamiske responser med store modulationseffektiviteter. Enheden fungerede ved en bølgelængde på 800 nm med en strålestyringseffektivitet, der nåede 40 til 46 procent for tværgående magnetiske (TM) og tværgående elektriske (TE) polariseringer. Den foreslåede enhed bibeholdt en metalisolator-metalstruktur bestående af et tykt guldlag placeret oven på et siliciumsubstrat for at danne det mikroelektromekaniske systemspejl, mens 2D-arrays af guld-nanobricks på et glassubstrat dannede den optiske metasurface (OMS) struktur. Forskerne lettede den foreslåede funktionelle bølgelængde i enheden og observerede transformationen af ​​reflektionsfasens respons for at indikere en enkel og ligetil tilgang til at realisere en MEMS-OMS-chip.

Design af eksperimentelle forhold

Holdet designede derefter en MEMS-OMS-platform til at realisere polarisationsuafhængig dynamisk strålestyring ved hjælp af en separat designet optisk mikrolinse og et ultrahurtigt MEMS-spejl på et printkort. Metoden forenklede udviklingsprocessen, og de karakteriserede de enkelte komponenter i forsøgsopstillingen ved hjælp af et optisk mikroskop og scanning elektronmikroskop. Efter design og fremstilling af opsætningen, Meng et al. estimeret det mindste opnåelige mellemrum mellem MEMS-spejlet og OMS-substratoverfladen ved hjælp af multibølgelængdeinterferometri. Værdien var så lille som 100 nm, og forskerne karakteriserede ydeevnen af ​​MEMS-OMS platformen ved hjælp af en bølgelængdejusterbar laser og optisk, polariserings- og billeddannelseskomponenter. Tyndfilmsspejlet overlevede mere end 10 ¹¹ cyklusser for standard driftsbetingelser for at opnå optisk, kapacitiv og piezoresistiv sansning, MEMS -enheden kunne også opretholde en resonansfrekvens uden ustabilitet. For at forstå de dynamiske fokuseringsmekanismer bag MEMS-OMS-enheden, Meng et al. aktiverede elektrisk spejlet og observerede de tilsvarende optiske reaktioner i det direkte objektplan og verificerede fokuseringseffekten ved hjælp af en fokuseret indfaldsstråle.

Outlook

På denne måde Chao Meng og kolleger udviklede en elektrisk drevet dynamisk MEMS-OMS platform, der kombinerede et tyndfilm piezoelektrisk MEMS spejl med optiske metaoverflader. Platformen tilbød reguleret fase- og amplitudemodulation af det reflekterede lys ved finaktivering af MEMS-spejlet. Forskerne designet og viste MEMS-OMS-enhederne, der fungerer i det nær-infrarøde bølgelængdeområde for at bemærke hurtig og effektiv funktion. Den eksperimentelle opsætning kan forbedres ved at omgå kravet om at reducere afstanden mellem MEMS-spejlet og OMS-overfladen. Ved at bruge den enhed, der er udviklet i dette arbejde, Meng et al. realiseret forskelligartet funktionalitet og dynamisk rekonfigurerbar ydeevne for at åbne fascinerende perspektiver og realisere højtydende, dynamisk styrede enheder med potentielle fremtidige applikationer i rekonfigurerbare og adaptive optiske systemer.

© 2021 Science X Network