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

Forskere beskrev en ny strategi for at designe metamolekyler, der inkorporerer to uafhængigt kontrollerede subbølgelængde-metatomer. Denne to-parametriske kontrol af metamolekylet sikrer fuldstændig kontrol af både amplitude og lysfase.

Et KAIST-forskerhold i samarbejde med University of Wisconsin-Madison foreslog teoretisk en grafen-baseret aktiv metasurface, der er i stand til uafhængig amplitude og fasekontrol af midt-infrarødt lys. Denne forskning giver ny indsigt i modulering af den mid-infrarøde bølgefront med høj opløsning ved at løse problemet med den uafhængige styring af lysamplitude og fase, hvilket har været en langvarig udfordring.

Lysmodulationsteknologi er afgørende for udvikling af fremtidige optiske enheder såsom holografi, høj opløsning billeddannelse, og optiske kommunikationssystemer. Flydende krystaller og et mikroelektromekanisk system (MEMS) er tidligere blevet brugt til at modulere lys. Imidlertid, begge metoder lider af betydeligt begrænsede kørehastigheder og pixelstørrelser, der er større end diffraktionsgrænsen, som følgelig forhindrer deres integration i fotoniske systemer.

Metasurface-platformen betragtes som en stærk kandidat til den næste generation af lysmodulationsteknologi. Metaoverflader har optiske egenskaber, som naturlige materialer ikke kan have, og kan overvinde begrænsningerne ved konventionelle optiske systemer, såsom at danne et billede med høj opløsning ud over diffraktionsgrænsen. I særdeleshed, den aktive metasurface betragtes som en teknologi med en bred vifte af anvendelser på grund af dens justerbare optiske egenskaber med et elektrisk signal.

Imidlertid, tidligere aktive metaoverflader led af den uundgåelige sammenhæng mellem lysamplitudekontrol og fasekontrol. Dette problem er forårsaget af modulationsmekanismen for konventionelle metasurflader. Konventionelle metaoverflader er designet sådan, at et meta-atom kun har én resonanstilstand, men et enkelt resonansdesign mangler i sagens natur frihedsgrader til uafhængigt at kontrollere lysets amplitude og fase.

Forskerholdet lavede en meta-enhed ved at kombinere to uafhængigt kontrollerbare meta-atomer, dramatisk forbedring af moduleringsområdet for aktive metaoverflader. Den foreslåede metasurface kan styre amplituden og fasen af ​​det midt-infrarøde lys uafhængigt med en opløsning ud over diffraktionsgrænsen, dermed tillader fuldstændig kontrol af den optiske bølgefront.

Forskerholdet bekræftede teoretisk ydeevnen af ​​den foreslåede aktive metasurface og muligheden for bølgefrontformning ved hjælp af denne designmetode. Desuden, de udviklede en analytisk metode, der kan tilnærme de optiske egenskaber af metaoverflader uden komplekse elektromagnetiske simuleringer. Denne analytiske platform foreslår en mere intuitiv og omfattende anvendelig retningslinje for metasurface-design.

Den foreslåede teknologi forventes at muliggøre nøjagtig bølgefrontformning med en meget højere rumlig opløsning end eksisterende bølgefrontformningsteknologier, som vil blive anvendt på aktive optiske systemer såsom mid-infrarød holografi, højhastighedsstrålestyringsanordninger, der kan anvendes til LiDAR, og infrarøde linser med variabel fokus.

Professor Min Seok Jang kommenterede, "Denne undersøgelse viste lysets uafhængige kontrolamplitude og fase, som har været en mangeårig søgen inden for lysmodulatorteknologi. Udviklingen af ​​optiske enheder, der bruger kompleks bølgefrontstyring, forventes at blive mere aktiv i fremtiden."

Ph.D. kandidat Sangjun Han og Dr. Seyoon Kim fra University of Wisconsin-Madison er de første forfattere af forskningen, som blev udgivet og udvalgt som forside på 28. januar-udgaven af ACS Nano med titlen "Fuldstændig kompleks amplitudemodulation med elektronisk afstembare grafenplasmoniske metamolekyler."