Les métasurfaces sont des métamatériaux optiquement minces qui peuvent contrôler complètement le front d'onde de la lumière, bien qu'ils soient principalement utilisés pour contrôler la phase de la lumière. Dans un nouveau rapport, Adam C. Overvig et ses collègues des départements de physique appliquée et de mathématiques appliquées de l'Université Columbia et du Center for Functional Nanomaterials du Brookhaven National Laboratory à New York, NOUS., a présenté une nouvelle approche d'étude, maintenant publié le Lumière :science et applications . Le concept simple utilisait des méta-atomes avec un degré variable de biréfringence de forme et d'angles de rotation pour créer des métasurfaces diélectriques à haute efficacité avec la capacité de contrôler l'amplitude optique (étendue maximale d'une vibration) et la phase à une ou deux fréquences. Le travail a ouvert des applications en holographie générée par ordinateur pour reproduire fidèlement la phase et l'amplitude d'une scène holographique cible sans utiliser d'algorithmes itératifs qui sont généralement requis lors de l'holographie en phase seule.

L'équipe a démontré des hologrammes de métasurface entièrement diélectriques avec un contrôle indépendant et complet de l'amplitude et de la phase. Ils ont utilisé deux fréquences optiques simultanées pour générer des hologrammes bidimensionnels (2D) et 3-D dans l'étude. Les métasurfaces d'amplitude de phase ont permis des caractéristiques supplémentaires qui ne pouvaient pas être atteintes avec l'holographie en phase seule. Les fonctionnalités comprenaient des hologrammes 2D sans artefact, la capacité de coder des profils de phase et d'amplitude séparés au niveau du plan objet et de coder des profils d'intensité au niveau des plans métasurface et objet séparément. En utilisant la méthode, les scientifiques ont également contrôlé les textures de surface des objets holographiques 3D.

Les ondes lumineuses possèdent quatre propriétés clés, notamment l'amplitude, phase, polarisation et impédance optique. Les scientifiques des matériaux utilisent des métamatériaux ou des "métasurfaces" pour régler ces propriétés à des fréquences spécifiques avec une sous-longueur d'onde, résolution spatiale. Les chercheurs peuvent également concevoir des structures individuelles ou "méta-atomes" pour faciliter une variété de fonctionnalités optiques. La fonctionnalité de l'appareil est actuellement limitée par la capacité de contrôler et d'intégrer les quatre propriétés de la lumière indépendamment dans le laboratoire. Les revers comprennent des défis de développement de méta-atomes individuels avec des réponses variables à une fréquence souhaitée avec un seul protocole de fabrication. Des études de recherche utilisaient auparavant des diffuseurs métalliques en raison de leurs fortes interactions lumière-matière pour éliminer les pertes optiques inhérentes par rapport aux métaux tout en utilisant des plates-formes diélectriques sans perte pour un contrôle de phase à haute efficacité - la propriété la plus importante pour le contrôle du front d'onde. Des efforts récents supplémentaires ont tenté de contrôler simultanément plus d'un paramètre à la fois et de former des métasurfaces achromatiques, dispositifs de dispersion et hologrammes multicolores.

Dans le travail present, Overvig et al. a présenté une plate-forme de métasurface avec un contrôle arbitraire et simultané de l'amplitude et de la phase en utilisant des fréquences de télécommunication dans un dispositif de type transmission. Ils ont contrôlé l'amplitude en faisant varier l'efficacité de conversion de la lumière polarisée circulairement d'une main à l'autre (de gauche à droite) en utilisant une structure biréfringente (un rayon de lumière incident sur un matériau est divisé en deux sous forme de rayons ordinaires et extraordinaires) méta- atomes, tout en contrôlant la phase via l'orientation dans le plan des méta-atomes. L'approche a généralisé une plate-forme de méta-surface bien étudiée qui a utilisé la phase "géométrique" ou "Pancharatnam-Berry" pour le contrôle simultané de l'amplitude et de la phase.

L'approche pourrait être facilement généralisée aux fréquences visibles dans les métasurfaces diélectriques compatibles CMOS. Pour démontrer les avantages de l'expérience, ils ont comparé des hologrammes générés par ordinateur avec des métasurfaces de phase et d'amplitude (PA) et des hologrammes générés avec des métasurfaces de phase uniquement (PO) pour montrer que seules les constructions PA pouvaient créer des images holographiques sans artefact. Overvig et al. mis en œuvre l'holographie PA pour concevoir des hologrammes de métasurface avec une haute fidélité pour former artistique et complexe, objets holographiques tridimensionnels (3D). Ils ont créé et optimisé des métasurfaces avec deux degrés de liberté par pixel pour contrôler l'amplitude et la phase au niveau du plan de l'objet. L'équipe de recherche a étendu le schéma simple pour inclure l'ingénierie de la dispersion structurelle des méta-atomes et contrôler simultanément la phase et l'amplitude des hologrammes bicolores.

Les chercheurs utilisent depuis longtemps l'approche de la phase géométrique pour faire varier spatialement la phase de la lumière dans un processus qui peut être techniquement mis en œuvre en modifiant simplement l'orientation d'un matériau biréfringent. Dans ce travail, l'équipe a fait varier expérimentalement le degré de biréfringence de la lumière polarisée circulairement gauche (LCP) à la lumière polarisée circulairement droite (RCP) pour contrôler indépendamment l'amplitude et la phase optiques. Ils ont également créé une bibliothèque de méta-atomes et visualisé l'action qu'elle effectuait à l'aide de chemins le long d'une sphère de Poincaré. En tant qu'implémentation de preuve de concept, les chercheurs ont choisi une longueur d'onde de fonctionnement de 1,55 µm et ont conçu une plate-forme compatible CMOS de métasurfaces de silicium amorphe (α-Si) sur des substrats de silice fondue. Ils ont ensuite modélisé la bibliothèque de méta-atomes cible à l'aide de simulations dans le domaine temporel aux différences finies et ont démontré numériquement un contrôle arbitraire de l'amplitude et de la phase.

Pour un contrôle expérimental complet de l'amplitude et de la phase, Overvig et al. mis en œuvre des hologrammes générés par ordinateur (CGH). Le premier CGH a généré une image holographique bidimensionnelle (2-D) en utilisant l'holographie PA avec une fidélité d'image améliorée par rapport aux versions formées avec l'holographie PO. Dans le deuxième CGH, ils ont créé un simple, Image holographique 3-D contenant une collection de points pour montrer la dépendance de l'holographie 3-D sur le plan focal et l'angle d'observation. Le troisième CGH a démontré la reconstruction fidèle d'un objet holographique 3-D complexe sous la forme d'une vache, ce qui indiquait la capacité de concevoir des scènes artistiquement intéressantes et complexes. L'équipe a simulé des textures de surface rugueuses ou lisses en utilisant une distribution aléatoire ou uniforme de phase dispersée sur la surface d'une vache. La quatrième version a montré la capacité d'encoder séparément la phase et l'amplitude au niveau du plan objet pour reconstruire un signe Yin-Yang, alors que le cinquième CGH a codé une image holographique avec la distribution de phase d'un hologramme en niveaux de gris de la couronne de Columbia, l'emblème officiel de Columbia Engineering, Université Columbia.

Lors de la reconstruction du logo Columbia Engineering pour générer un CGH 2-D, l'équipe a discrétisé une image cible en sources dipolaires avec des amplitudes de un (zone à l'intérieur du logo) et de zéro (l'arrière-plan) et une phase uniforme. Ils ont enregistré les interférences de ces sources dipolaires de l'image cible à une distance spécifique (750 μm), qui correspondait à l'emplacement de la métasurface pour reconstruire l'image cible. Lors de la reconstruction du deuxième hologramme PO de la couronne de Columbia, Overvig et al. utilisé une approche alternative connue sous le nom d'algorithme de Gerchberg-Saxton (GS) pour générer la distribution d'intensité souhaitée de l'image cible. Ils n'ont pas nécessité d'itérations similaires avec l'holographie PA, ce qui leur a permis de reproduire fidèlement à la fois la phase et l'amplitude de l'hologramme souhaité. Les chercheurs ont reconstruit chaque image holographique à l'aide de simulations numériques et d'expériences et ont observé une amélioration de la qualité de l'image dans l'hologramme PA par rapport aux hologrammes PO ou GS.

L'holographie PA a également permis aux scientifiques de contrôler les profils d'amplitude de deux plans distincts plutôt que l'amplitude et la phase d'un seul plan. Ils ont produit des images holographiques et ont montré un bon accord entre les reconstructions expérimentales et les simulations. Les scientifiques ont étendu l'approche simple pour contrôler la phase et l'amplitude indépendamment à deux longueurs d'onde distinctes. Dans lequel ils contrôlaient simultanément quatre paramètres de front d'onde à chaque méta-atome, qui exigeait expérimentalement plus de deux degrés de liberté. L'équipe a étendu les efforts passés pour inclure la biréfringence lors de la conception des méta-atomes afin de contrôler de manière expansive la réponse de phase des polarisations ordinaires et extraordinaires (biréfringence) des deux longueurs d'onde.

Après avoir utilisé des micrographies électroniques à balayage pour observer les dispositifs fabriqués, ils ont acquis des reconstructions expérimentales bicolores en alignant une excitation LCP à une longueur d'onde de 1,65 µm (canal rouge) et une excitation RCP à une longueur d'onde de 0,94 µm (canal bleu). Le nombre de méta-atomes nécessitant une simulation était d'environ 60, 000 dans l'étude, ce qui représentait une tâche de calcul intimidante pour une précision supérieure à celle actuellement atteinte. Overvig et al. donc restreint l'étude à la solution actuelle imparfaite mais gérable par le calcul.

De cette façon, Adam C. Overvig et une équipe de recherche interdisciplinaire ont démontré des hologrammes de métasurface en utilisant des métasurfaces diélectriques à faible perte. Ils ont fait fonctionner les constructions en mode transmission avec un contrôle de phase et d'amplitude complet et indépendant à une et deux longueurs d'onde, utilisant un principe de conception simple mais puissant pour ouvrir un degré de contrôle sur les longueurs d'onde optiques utiles pour de nombreuses applications. Le travail offre une méthode robuste et largement applicable pour manipuler un front d'onde optique à volonté et ainsi réaliser la promesse principale des métasurfaces.

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