En ny strategi for aktivt metasurface-design giver en fuld 360 graders fase-tunerbar metasurface

Et internationalt team af forskere ledet af professor Min Seok Jang fra KAIST og professor Victor W. Brar fra University of Wisconsin-Madison har demonstreret en bredt anvendelig metodologi, der muliggør en fuld 360° aktiv fasemodulation for metasurfaces og samtidig opretholde betydelige niveauer af ensartet lysamplitude . Denne strategi kan grundlæggende anvendes på ethvert spektralområde med enhver struktur og resonans, der passer til regningen.

Metasurfaces er optiske komponenter med specialiserede funktionaliteter, der er uundværlige til virkelige applikationer lige fra LIDAR og spektroskopi til futuristiske teknologier såsom usynlighedskapper og hologrammer. De er kendt for deres kompakte natur og mikro-/nanostørrelse, som gør dem i stand til at blive integreret i elektroniske computersystemer med størrelser, der stadigt bliver mindre som forudsagt af Moores lov.

For at tillade sådanne innovationer skal metasurfaces være i stand til at manipulere det indfaldende lys ved at manipulere enten lysets amplitude eller fase (eller begge) og udsende det igen. Dynamisk modulering af fasen med hele cirkelområdet har imidlertid været en notorisk vanskelig opgave, med meget få værker, der har formået at gøre det ved at ofre en betydelig mængde af amplitudekontrol.

Udfordret af disse begrænsninger foreslog holdet en generel metodologi, der gør det muligt for metasurfaces at implementere en dynamisk fasemodulation med det komplette 360° faseområde, alt imens de ensartet opretholder betydelige niveauer af amplitude.

Den underliggende årsag til vanskeligheden ved at opnå en sådan bedrift er, at der er en grundlæggende afvejning med hensyn til dynamisk at kontrollere lysets optiske fase. Metasurfaces udfører generelt en sådan funktion gennem optiske resonanser, en excitation af elektroner inde i metasurface-strukturen, der harmonisk oscillerer sammen med det indfaldende lys. For at kunne modulere gennem hele området 0–360°, skal den optiske resonansfrekvens (midten af ​​spektret) tunes stort, mens linjebredden (spektrets bredde) holdes på et minimum . Men for at kunne indstille den optiske resonansfrekvens af metaoverfladen elektrisk efter behov, skal der være en kontrollerbar indstrømning og udstrømning af elektroner ind i metasfladen, og dette fører uundgåeligt til en større linjebredde af den førnævnte optiske resonans.

Problemet forværres yderligere af det faktum, at fasen og amplituden af ​​optiske resonanser er tæt korreleret på en kompleks, ikke-lineær måde, hvilket gør det meget vanskeligt at holde væsentlig kontrol over amplituden, mens fasen ændres.

Holdets arbejde omgik begge problemer ved at bruge to optiske resonanser, hver med specifikt udpegede egenskaber. Én resonans giver afkoblingen mellem fase og amplitude, så fasen er i stand til at blive tunet, mens signifikante og ensartede niveauer af amplitude opretholdes, samt giver en smal linjebredde.

Den anden resonans giver mulighed for at være tilstrækkeligt indstillet til en stor grad, således at hele cirklen for fasemodulation er opnåelig. Kvintessensen af ​​værket er så at kombinere de forskellige egenskaber ved de to resonanser gennem et fænomen kaldet undgået krydsning, så vekselvirkningerne mellem de to resonanser fører til en sammensmeltning af de ønskede egenskaber, der opnår og endda overgår den fulde 360° fasemodulation med ensartet amplitude.

Professor Jang sagde:"Vores forskning foreslår en ny metode inden for dynamisk fasemodulation, der bryder igennem de konventionelle grænser og afvejninger, samtidig med at den er bredt anvendelig i forskellige typer af metasurfaces. Vi håber, at denne idé hjælper forskere med at implementere og realisere mange nøgleanvendelser af metaoverflader, såsom LIDAR og hologrammer, så nanofotonikindustrien bliver ved med at vokse og giver en lysere teknologisk fremtid."

Forskningspapiret forfattet af Ju Young Kim og Juho Park, et al., og med titlen "Fuld 2π Tunable Phase Modulation Using Avoided Crossing of Resonances" blev offentliggjort i Nature Communications den 19. april. + Udforsk yderligere

Ny grafenbaseret metasurface, der er i stand til uafhængig amplitude- og fasestyring af lys