Mendorong Batas Optik: Metasurface Mencapai Kontrol Cahaya Hampir Tak Terbatas dalam Satu Perangkat

Sebuah makalah baru-baru ini mengeksplorasi multiplexing fungsi tak terbatas menggunakan metasurface tunggal, memanfaatkan interferensi gelombang koheren.

Dengan kemajuan dalam ilmu dan aplikasi optik, terdapat peningkatan permintaan akan perangkat optik multifungsi yang mampu mengintegrasikan sebanyak mungkin fungsi kontrol gelombang ke dalam satu sistem ultra-kompak.

Namun, perangkat optik yang terbuat dari dielektrik konvensional bergantung pada fase propagasi cahaya, yang secara inheren menghasilkan ukuran perangkat yang besar (relatif terhadap panjang gelombang) dan/atau efisiensi yang rendah (karena tidak adanya respons magnetik). Selain itu, kurangnya tingkat kebebasan tambahan untuk memanipulasi cahaya mempersulit penggunaan dielektrik konvensional untuk membuat perangkat optik kompak dengan berbagai fungsi—sebuah masalah yang secara signifikan menghambat integrasi optik.

Permukaan meta, sangat tipis bahan meta terdiri dari struktur mikro sub-panjang gelombang planar dengan respons optik khusus yang disusun dalam urutan spesifik yang telah dirancang sebelumnya, menawarkan kemampuan luar biasa untuk mengendalikan gelombang cahaya dan telah menarik perhatian signifikan dalam beberapa tahun terakhir. Dengan merancang metaatom dan susunannya, para ilmuwan telah mengembangkan berbagai permukaan meta yang secara lokal mengontrol gelombang tersebar dalam hal fase dan polarisasi, memungkinkan pembentukan berkas cahaya yang disesuaikan di medan jauh berdasarkan prinsip Huygens. Pendekatan ini telah menghasilkan realisasi berbagai fungsi manipulasi gelombang, termasuk kemampuan dua dan multifungsi dalam satu perangkat meta.

Multifungsi di Metasurfaces

Mengenai perangkat meta bi/multi-fungsi ini, para ilmuwan telah menggabungkan fase antarmuka yang menghasilkan banyak mekanisme untuk mendapatkan kontrol medan cahaya ganda/multi-fungsi, misalnya, secara bersamaan memanfaatkan fase geometris yang bergantung pada polarisasi yang disebabkan oleh rotasi struktural dan struktur yang tidak bergantung pada polarisasi. fase resonansi, mewujudkan fungsi yang berbeda dalam satu perangkat ultra-tipis subwavelength, sangat memajukan pengembangan optik terintegrasi.

Namun, perangkat kontrol medan cahaya multi-fungsi yang ada sebagian besar memerlukan variasi simultan dari beberapa karakteristik berbeda dari cahaya datang, sementara hanya menggunakan variasi polarisasi cahaya datang hanya dapat menunjukkan tidak lebih dari dua fungsi kontrol gelombang yang berbeda, ditentukan oleh nomor polarisasi insiden independen.

Untuk lebih meningkatkan jumlah fungsi yang digandakan oleh satu perangkat metasurface tunggal, strategi desain baru perlu dikembangkan untuk mengatasi batasan yang dikenakan oleh jumlah status polarisasi independen pada jumlah fungsi independen.

Strategi Desain Baru untuk Fungsi Tak Terbatas

Penulis artikel ini mengusulkan pendekatan untuk merancang perangkat meta yang menunjukkan (pada prinsipnya) fungsi kontrol gelombang dalam jumlah tak terbatas berdasarkan interferensi gelombang koheren yang disetel dengan terus memvariasikan keadaan polarisasi cahaya yang datang, dan secara eksperimental memverifikasi konsep tersebut dalam rezim panjang gelombang telekomunikasi ( 1550nm). Penelitian tersebut baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Kemajuan Opto-Elektronik.

Diusulkan agar polarisasi datang dapat diproyeksikan ke basis polarisasi sirkular kiri (LCP) dan polarisasi sirkular kanan (RCP), yaitu σ0=A+++A–, ± menunjukkan masing-masing komponen LCP dan RCP. Gelombang yang dihamburkan oleh metasurface dapat dilambangkan dengan dekomposisi linier muka gelombang LCP dan RCP: A+⋅F+(r)σ+(r)+A-⋅F-(r)σ-(r), F±(r) masing-masing menunjukkan muka gelombang LCP dan RCP.

Rancang secara independen dua komponen muka gelombang yang memiliki heliks berlawanan, penyesuaian polarisasi insiden yang berkelanjutan, yaitu rasio komponen LCP dan RCP, dapat secara efektif memodulasi muka gelombang dan polarisasi lokal dari total medan yang diperoleh melalui interferensi koheren yang dilambangkan Ff(r)σf(r)=A+⋅F+(r)σ+(r)+A-⋅F-(r)σ-(r)dan dengan demikian multipleks (pada prinsipnya) fungsi kontrol gelombang dalam jumlah tak terbatas.

Setelah merancang serangkaian metaatom dengan fase refleksi yang disesuaikan dan kemampuan konversi polarisasi, dua perangkat meta fungsional dibangun dan fungsi kontrol gelombangnya dihitung secara eksperimental di bawah iluminasi cahaya dengan polarisasi yang terus-menerus disetel di sepanjang jalur tertentu pada bola Poincare.

Eksperimen menunjukkan bahwa:

• Perangkat pertama menghasilkan dua sinar pusaran yang berbeda dan tidak tumpang tindih dengan kekuatan yang terus bervariasi.
• Perangkat kedua menghasilkan sinar pusaran vektor tunggal dengan momentum sudut orbital (OAM) dan/atau distribusi polarisasi lokal (LPD) yang terus dimodulasi dengan memvariasikan polarisasi kejadian.

Temuan eksperimental konsisten dengan simulasi numerik dan prediksi teoretis.

Temuan ini dapat diterapkan dalam banyak praktik dan dapat merangsang banyak penelitian di masa depan. Misalnya, perluasan ke sistem kompleks dan/atau transmisif medan dekat dan medan jauh adalah proyek masa depan yang menarik, dan menggunakan sinar vektorial sebagai cahaya datang dapat semakin memperkaya fungsi manipulasi gelombang dari perangkat metadevices.

Referensi: “Fungsionalitas multiplexing dalam metasurface efisiensi tinggi berdasarkan interferensi gelombang koheren” oleh Yuejiao Zhou, Tong Liu, Changhong Dai, Dongyi Wang dan Lei Zhou, 3 September 2024, Kemajuan Opto-Elektronik.
DOI: 10.29026/oea.2024.240086