Niedawny artykuł bada multipleksowanie nieskończonych funkcjonalności przy użyciu pojedynczej metapowierzchni, wykorzystując spójną interferencję fal.
Wraz z postępem nauk i zastosowań optycznych rośnie zapotrzebowanie na wielofunkcyjne urządzenia optyczne zdolne do zintegrowania jak największej liczby funkcji kontroli fal w jednym, ultrakompaktowym systemie.
Jednakże urządzenia optyczne wykonane z konwencjonalnych dielektryków opierają się na fazach propagacji światła, co nieodłącznie skutkuje dużymi rozmiarami urządzeń (w stosunku do długości fal) i/lub niską wydajnością (ze względu na brak odpowiedzi magnetycznych). Co więcej, brak dodatkowych stopni swobody manipulowania światłem utrudnia wykorzystanie konwencjonalnych dielektryków do tworzenia kompaktowych urządzeń optycznych o wielu funkcjach – jest to problem, który znacznie utrudnia integrację optyczną.
Metapowierzchnie, ultracienkie metamateriały złożone z płaskich mikrostruktur podfalowych z dostosowanymi reakcjami optycznymi ułożonymi w określone, wcześniej zaprojektowane sekwencje, oferują niezwykłe możliwości kontrolowania fal świetlnych i cieszą się dużym zainteresowaniem w ostatnich latach. Projektując zarówno metaatomy, jak i ich rozmieszczenie, naukowcy opracowali różne metapowierzchnie, które lokalnie kontrolują fale rozproszone pod względem fazy i polaryzacji, umożliwiając tworzenie dostosowanych wiązek światła w polu dalekim w oparciu o zasadę Huygensa. Podejście to doprowadziło do realizacji licznych funkcji manipulacji falami, w tym możliwości dwu- i wielofunkcyjnych w ramach jednego meta-urządzenia.
Wielofunkcyjność w metapowierzchniach
Jeśli chodzi o te dwu/wielofunkcyjne metaurządzenia, naukowcy połączyli fazy interfejsu generowane przez wiele mechanizmów, aby uzyskać podwójną/wielofunkcyjną kontrolę pola świetlnego, na przykład jednocześnie wykorzystując fazy geometryczne zależne od polaryzacji indukowane przez rotacje strukturalne i fazy strukturalne niezależne od polaryzacji fazy rezonansowe, realizując różne funkcje w jednym ultracienkim urządzeniu o długości podfalowej, znacznie przyspieszając rozwój zintegrowanej optyki.
Jednakże istniejące wielofunkcyjne urządzenia do kontroli pola świetlnego w większości wymagają jednoczesnej zmiany wielu różnych właściwości padającego światła, podczas gdy wykorzystanie wyłącznie zmiany polaryzacji światła padającego może wykazywać tylko dwie różne funkcje kontroli fali, podyktowane liczbą niezależnych polaryzacji incydentów.
Aby jeszcze bardziej zwiększyć liczbę funkcjonalności multipleksowanych przez jedno urządzenie metapowierzchniowe, należy opracować nowe strategie projektowania, aby przezwyciężyć ograniczenia nałożone przez liczbę niezależnych stanów polaryzacji na liczbę niezależnych funkcjonalności.
Nowatorska strategia projektowania zapewniająca nieskończoną funkcjonalność
Autorzy tego artykułu proponują podejście do projektowania metaurządzeń wykazujących (w zasadzie) nieskończoną liczbę funkcji kontroli fal w oparciu o spójne interferencje fal dostrojone poprzez ciągłą zmianę stanu polaryzacji padającego światła oraz weryfikują eksperymentalnie tę koncepcję w reżimie długości fal telekomunikacyjnych ( 1550 nm). Wyniki badań opublikowano niedawno w czasopiśmie Postępy optoelektroniczne.
Proponuje się, aby polaryzację padającą można rzutować na podstawy lewej polaryzacji kołowej (LCP) i prawej polaryzacji kołowej (RCP), tj. σ0=A+++A–, ± oznaczające odpowiednio komponenty LCP i RCP. Falę rozproszoną przez metapowierzchnię można oznaczyć poprzez liniowy rozkład frontów fal LCP i RCP: A+⋅F+(r)σ+(r)+A-⋅F-(r)σ-(r), F±(r) oznaczające odpowiednio czoło fali LCP i RCP.
Niezależnie projektując te dwa czoła fali składników o przeciwnych helikalności, ciągłe dostrojenie polaryzacji padającej, tj. stosunek składowych LCP i RCP, może skutecznie modulować polaryzację czoła fali i lokalną polaryzację całkowitego pola uzyskanego poprzez spójną interferencję oznaczoną Ff(r)σf(r)=A+⋅F+(r)σ+(r)+A-⋅F-(r)σ-(r)a tym samym multipleksować (w zasadzie) nieskończoną liczbę funkcji kontroli fal.
Po zaprojektowaniu serii metaatomów z dostosowanymi fazami odbicia i możliwościami konwersji polaryzacji, skonstruowano dwa funkcjonalne metaurządzenia, a ich funkcje kontroli fal obliczono eksperymentalnie przy oświetleniu światłem z polaryzacją stale dostrojoną wzdłuż określonej ścieżki na sferze Poincarego.
Eksperymenty wykazały, że:
- Pierwsze urządzenie wygenerowało dwie odrębne, niezachodzące na siebie wiązki wirowe o stale zmieniającej się sile.
- Drugie urządzenie wytwarzało pojedynczą wektorową wiązkę wirową z orbitalnym momentem pędu (OAM) i/lub lokalnymi rozkładami polaryzacji (LPD) modulowanymi w sposób ciągły poprzez zmianę padającej polaryzacji.
Wyniki eksperymentów były zgodne zarówno z symulacjami numerycznymi, jak i przewidywaniami teoretycznymi.
Odkrycia te mogą znaleźć liczne zastosowania w praktyce i mogą stać się inspiracją do wielu przyszłych badań. Na przykład rozszerzenia systemów kompleksujących i/lub transmisyjnych bliskiego i dalekiego pola są interesującymi przyszłymi projektami, a wykorzystanie wiązek wektorowych jako padającego światła może jeszcze bardziej wzbogacić funkcje manipulacji falami w metaurządzeniach.
Odniesienie: „Multipleksowanie funkcjonalności w wysokowydajnych metapowierzchniach w oparciu o spójne zakłócenia falowe”, Yuejiao Zhou, Tong Liu, Changhong Dai, Dongyi Wang i Lei Zhou, 3 września 2024 r., Postępy optoelektroniczne.
DOI: 10.29026/oea.2024.240086
