Spin-gecontroleerde generatie van een complete polarisatieset met willekeurig verweven plasmonische metasurfaces

Optische metasurfaces zijn nauwkeurig vervaardigde tweedimensionale kunstmatige nanostructuren die bestaan ​​uit nauwkeurig ontworpen arrays van ultradunne kunstmatige atomen. Deze oppervlakken bezitten mogelijkheden die verder gaan dan natuurlijke materialen, waardoor multifunctionele controle van elektromagnetische golven mogelijk is.

Door de vorm, grootte, rotatie en positie van deze kunstmatige atomen te ontwerpen, kunnen optische metassurfaces elektromagnetische golven nauwkeurig manipuleren met een ruimtelijke resolutie onder de golflengte, wat enorme potentiële toepassingen biedt op het gebied van fotonica.

Van de vele toepassingen is de controle van polarisatietoestanden met behulp van optische metasurfaces uitgebreid bestudeerd. De ontwikkeling van polarisatiegecodeerde multifunctionele metasurfaces vertegenwoordigt een significante sprong in optische technologie, waardoor een breder scala aan functies in één metasurface kan worden geïntegreerd.

Deze integratie van polarisatiecodering wordt bereikt door innovatieve kunstmatige atoomontwerpen en de slimme verweving van verschillende metasurface-regio’s, wat een nieuw tijdperk in de fotonica inluidt. Metasurfaces, als multifunctionele platforms voor verschillende optische toepassingen, zijn een voorbeeld van de voortdurende vooruitgang richting meer geïntegreerde en dynamisch bestuurbare optische componenten.

Ondanks de aanzienlijke vooruitgang in de controle van polarisatietoestanden met behulp van optische metasurfaces, zijn de meeste huidige metasurfaces beperkt tot het genereren van enkele specifieke polarisatietoestanden verdeeld over een beperkt aantal kanalen.

Tot op heden zijn er nog maar zelden methoden gerapporteerd voor het op gecontroleerde wijze genereren van een volledige set polarisatietoestanden (bijvoorbeeld links- en rechtsdraaiend circulair gepolariseerd licht en lineair gepolariseerd licht in verschillende oriëntaties) over meerdere kanalen, evenals technieken voor het bereiken van schakelbare polarisatietoestanden binnen verschillende kanalen.

Om deze uitdagingen aan te pakken, hebben de auteurs van een artikel gepubliceerd in het dagboek Opto-elektronische vooruitgang stelde een reflecterend goud-silica-goud plasmonisch metaoppervlak voor. Dit innovatieve ontwerp bevat zes willekeurig verweven metaoppervlakgebieden, die elk in staat zijn om verschillende polarisatietoestanden uit te voeren en te verzamelen bij verschillende reflectiehoeken tegelijkertijd.

Deze ontwerpmethode maakt multidirectionele bundelregeling over alle polarisatiekanalen mogelijk en maakt veranderingen in de polarisatietoestand in de uitgangskanalen mogelijk door de spintoestand van het invallende circulair gepolariseerde licht te schakelen.

Het ontwerp omvat een nanobrick-vormige halve-golfplaat en vier nano-kruisvormige kwart-golfplaten. De halve-golfplaat kan linkshandig circulair gepolariseerd licht omzetten in rechtshandig circulair gepolariseerd licht, of andersom. Door de halve-golfplaat in stappen van 45° te roteren, wordt een geometrische fasegradiënt geproduceerd, die de reflectiehoeken van licht met dezelfde polarisatiestatus als het invallende circulair gepolariseerde licht scheidt.

De kwartgolfplaten, gedraaid onder specifieke hoeken, kunnen invallend circulair gepolariseerd licht transformeren in lineair gepolariseerd licht onder verschillende hoeken. Deze platen bieden een lineaire fasegradiënt, waarbij circulair gepolariseerd licht wordt omgezet in lineair gepolariseerd licht bij oriëntaties van 0°, 45°, 90° en 135°, die vervolgens worden gereflecteerd onder verschillende hoeken.

Door deze nanoschaalplaten te integreren en ze te ontwerpen met verschillende rotatiehoeken, kan het metasurface gelijktijdige output van een volledige set polarisatietoestanden over meerdere kanalen bereiken. Door gebruik te maken van de geavanceerde micro- en nanofabricage- en karakteriseringsplatformen bij het Center for Nano Optics aan de University of Southern Denmark, valideerden de onderzoekers hun metasurface-ontwerp experimenteel.

Dit onderzoek markeert een significante vooruitgang op het gebied van polarisatieoptica en baant de weg voor de ontwikkeling van compacte, efficiënte en krachtige optische apparaten. De unieke eigenschappen van deze nanoschaalgolfplaten openen nieuwe wegen voor toepassingen variërend van beeldvorming en sensing tot communicatie en andere geavanceerde optische technologieën.

De potentiële impact van deze technologie is enorm en belooft een mooie toekomst voor de realisatie van complexe optische systemen die dynamisch kunnen worden aangestuurd. Hierdoor worden de veelzijdigheid en prestaties van optische componenten in verschillende disciplines verbeterd.