Façonnage du front d'onde 2D avec le MEMS-OMS. (A) Schéma de réflexion de la lumière semblable à un miroir par le MEMS-OMS avant l'actionnement, c'est à dire., avec l'écart initial d'environ 350 nm entre les matrices de nanobriques OMS et le miroir MEMS. La lumière incidente est réfléchie de manière spéculaire par le MEMS-OMS quelle que soit la conception de l'OMS. (B et C) Schéma des fonctionnalités démontrées, (B) réflexion anormale et (C) focalisation (selon la conception de l'OMS), activé en rapprochant le miroir MEMS de la surface de l'OMS, c'est à dire., en diminuant l'entrefer à ~20 nm. Crédit: Avancées scientifiques , 10.1126/sciadv.abg5639
Les métasurfaces optiques peuvent réguler sans précédent des fronts d'onde polyvalents à l'échelle de la sous-longueur d'onde. Les métasurfaces optiques les plus connues sont, cependant, statiques et présentent des réponses optiques bien définies qui sont déterminées par des configurations de métasurface optique définies au cours de leur développement. Les configurations dynamiques des matériaux étudiés jusqu'à présent montrent souvent des limitations spécifiques et une reconfigurabilité réduite. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Chao Meng et une équipe de recherche en nanotechnologie, nano-optique, et l'électronique au Danemark, Norvège et Chine, a combiné un système micromécanique piézoélectrique à couche mince (MEMS) avec une métasurface optique à base de plasmons (OMS) à surface d'écartement. À l'aide de la configuration, ils ont développé un moteur électrique, système microélectromécanique dynamique-plate-forme de métasurface optique pour réguler les phases ainsi que les modulations d'amplitude de la lumière réfléchie en actionnant finement le miroir MEMS. En utilisant cette plateforme, ils ont montré comment les composants permettaient une orientation du faisceau indépendante de la polarisation et une focalisation bidimensionnelle avec des efficacités de modulation élevées et des réponses rapides. La plate-forme offre des solutions flexibles pour réaliser des dynamiques complexes de régulation de front d'onde 2D avec des applications dans des réseaux et systèmes optiques reconfigurables et adaptatifs.
Métasurfaces optiques
Les métasurfaces optiques représentent généralement des réseaux planaires denses sous la longueur d'onde d'éléments nanostructurés, également connus sous le nom de méta-atomes, conçus pour offrir des champs optiques dispersés et une régulation de phase locale. De nombreuses applications dans le passé ont démontré la mise en forme du front d'onde en espace libre, transformations de polarisation polyvalentes, génération de vortex optique et holographie optique. Pour des systèmes plus intelligents et adaptatifs, y compris la détection et la télémétrie par la lumière (LIDAR) ainsi que le suivi et les communications optiques en espace libre, ou affichage dynamique et holographie, il est hautement souhaitable de développer des métasurfaces optiques avec des fonctionnalités reconfigurables. Dans ce travail, Chao Meng et une équipe de scientifiques ont combiné un MEMS piézoélectrique à couche mince (système micromécanique) avec la métasurface optique à base de plasmons (OMS) à surface d'espacement pour développer une plate-forme MEMS-OMS dynamique à commande électrique. Dans l'idée principale, ils ont facilité la métasurface optique à base de plasmons à surface d'espacement conventionnelle pour former un réflecteur arrière mobile. Les scientifiques ont conçu et développé les miroirs OMS et MEMS pour discerner les chemins de traitement, puis les ont combinés pour garantir une liberté de conception des deux côtés avec une complexité réduite pendant le développement. Le travail a offert une plate-forme MEMS-OMS réglable et reconfigurable en continu avec des dimensions ultracompactes et une faible consommation d'énergie.
Orientation dynamique du faisceau indépendante de la polarisation :Conception. (A) Schéma de la cellule unitaire OMS comprenant l'entrefer et le miroir doré. (B) Le coefficient de réflexion complexe r calculé en fonction de la longueur du côté de la nanobrique Lx et de l'entrefer ta avec les autres paramètres étant les suivants :=800 nm, tm =50 nm, =250 nm, et Ly =Lx. La coloration est liée à l'amplitude de réflexion, tandis que les lignes magenta représentent des contours de phase de réflexion constants. (C) Dépendances de phase de réflexion (lignes pointillées) et d'amplitude (lignes pleines) sur la longueur de nanobrick Lx pour deux entrefers extrêmes :ta =20 nm (rouge) et 350 nm (bleu). Les cercles représentent les tailles de nanobriques sélectionnées pour la supercellule OMS conçue pour la direction dynamique du faisceau. (D) Vue de dessus et (E) coupe transversale de la supercellule MEMS-OMS conçue. (F et G) Distributions du champ électrique TM réfléchi (composante x) à une longueur d'onde de 800 nm pour des entrefers de ta =20 et 350 nm, respectivement. (H) Efficacités de diffraction de différents ordres (|m| 1) calculées en fonction de l'entrefer ta pour la lumière incidente TM/TE avec une longueur d'onde de 800 nm. (I) Efficacités de diffraction de différents ordres (|m| 1) calculées à l'entrefer ta =20 nm en fonction de la longueur d'onde pour la lumière incidente TM/TE. Crédit: Avancées scientifiques , 10.1126/sciadv.abg5639 
En utilisant cette plateforme, Meng et al. ont montré expérimentalement une orientation dynamique du faisceau indépendante de la polarisation et une focalisation 2D réfléchissante. Ils ont actionné électriquement le miroir MEMS pour réguler la distance MEMS-CMS, et a montré des réponses dynamiques indépendantes de la polarisation avec de grandes efficacités de modulation. Le dispositif fonctionnait à une longueur d'onde de 800 nm avec une efficacité de direction de faisceau atteignant 40 à 46 pour cent pour les polarisations transversales magnétiques (TM) et électriques transversales (TE). Le dispositif proposé maintenait une structure métal-isolant-métal composée d'une épaisse couche d'or placée au-dessus d'un substrat de silicium pour former le miroir des systèmes microélectromécaniques, tandis que des matrices 2D de nanobriques d'or sur un substrat de verre formaient la structure de la métasurface optique (OMS). Les scientifiques ont facilité la longueur d'onde fonctionnelle proposée dans le dispositif et observé la transformation de la réponse de phase de réflexion pour indiquer une approche simple et directe pour réaliser une puce MEMS-OMS.
Concevoir les conditions expérimentales
Assemblage MEMS-OMS. (A) Photo typique de l'assemblage MEMS-OMS composé de l'OMS à motifs sur un substrat de verre, un miroir MEMS ultraplat à couche mince, et une carte de circuit imprimé (PCB) pour la connexion électrique. (B) Microscopie optique et (C) images SEM de l'OMS représentant le réseau de 30 m sur 30 m et 250 nm de période de nanobriques d'or de tailles différentes conçues pour l'orientation dynamique du faisceau, fabriqué au sommet d'un socle de 10 µm de haut sur le substrat de verre, et utilisé dans l'assemblage MEMS-OMS. Crédit photo :Chao Meng, Université du Danemark du Sud. Crédit: Avancées scientifiques , 10.1126/sciadv.abg5639
Orientation dynamique du faisceau indépendante de la polarisation :Caractérisation. (A) Images optiques aux plans de l'objet direct (DI) et de l'image de Fourier (FI) de la lumière réfléchie de MEMS-OMS sous des tensions d'actionnement de Va1 =0,00 V (haut) et Va2 =3,75 V (milieu) pour TM/TE lumière normalement incidente avec une longueur d'onde de 800 nm. La lumière réfléchie par le substrat non structuré (en bas) dans le dispositif MEMS-OMS est également enregistrée comme référence. (B) Efficacités de diffraction de différents ordres (|m| 1) mesurées en fonction de la tension d'actionnement pour la lumière incidente TM/TE avec une longueur d'onde de 800 nm. (C) Efficacités de diffraction de différents ordres (|m| 1) mesurées en fonction de la longueur d'onde pour la lumière incidente TM/TE. (D) Temps de réponse des différents ordres de diffraction (m =0/+1) mesuré en actionnant le miroir MEMS avec un signal rectangle périodique. Crédit: Avancées scientifiques , 10.1126/sciadv.abg5639
Mise au point 2D dynamique indépendante de la polarisation :Caractérisation. (A) Efficacité de focalisation mesurée en fonction de la tension d'actionnement pour la lumière incidente TM/TE avec une longueur d'onde de 800 nm. L'encart en haut à gauche est une image SEM typique de l'OMS représentant un réseau de 14 m de diamètre et de 250 nm de période de nanobriques d'or de différentes tailles conçues pour une mise au point 2D dynamique. Barre d'échelle, 2 µm. L'encart en bas à droite illustre la méthode de mesure dans laquelle le faisceau incident est focalisé au plan A (plan focal de l'objectif) et frappe le substrat non structuré ou la zone OMS du MEMS-OMS au plan B (distance 2f de la focale plan de l'objectif), résultant en des champs réfléchis respectifs divergents ou focalisés. (B) Images optiques de la lumière réfléchie par le substrat non structuré et la zone OMS du MEMS-OMS positionnés au niveau du plan B avec des tensions d'actionnement de Vb1 =10,00 V et Vb2 =14,50 V pour la lumière incidente TM/TE à une longueur d'onde de 800 nm. La lumière réfléchie par le substrat non structuré et la zone OMS du MEMS-OMS positionné au plan A a également été enregistrée comme référence. Crédit: Avancées scientifiques , 10.1126/sciadv.abg5639
L'équipe a ensuite conçu une plate-forme MEMS-OMS pour réaliser une direction de faisceau dynamique indépendante de la polarisation à l'aide d'une micro-lentille optique conçue séparément et d'un miroir MEMS ultrarapide sur une carte de circuit imprimé. La méthode a simplifié le processus de développement, et ils ont caractérisé les composants individuels du dispositif expérimental à l'aide d'un microscope optique et d'un microscope électronique à balayage. Après la conception et la fabrication de l'installation, Meng et al. a estimé le plus petit écart possible entre le miroir MEMS et la surface du substrat OMS en utilisant l'interférométrie multi-longueurs d'onde. La valeur était aussi petite que 100 nm, et les scientifiques ont caractérisé les performances de la plate-forme MEMS-OMS à l'aide d'un laser accordable en longueur d'onde et optique, composants de polarisation et d'imagerie. Le miroir à couche mince a survécu à plus de 10 11 cycles pour des conditions opérationnelles standard pour accomplir optique, détection capacitive et piézorésistive, le dispositif MEMS pourrait également maintenir une fréquence de résonance sans instabilité. Pour comprendre les mécanismes de focalisation dynamique derrière le dispositif MEMS-OMS, Meng et al. actionné électriquement le miroir et observé les réponses optiques correspondantes dans le plan objet direct et vérifié l'effet de focalisation à l'aide d'un faisceau incident focalisé.
Perspectives
De cette façon, Chao Meng et ses collègues ont développé une plate-forme MEMS-OMS dynamique à commande électrique qui combinait un miroir MEMS piézoélectrique à couche mince avec des métasurfaces optiques. La plate-forme offrait une modulation de phase et d'amplitude régulée de la lumière réfléchie en actionnant finement le miroir MEMS. Les scientifiques ont conçu et montré les dispositifs MEMS-OMS qui fonctionnent dans la gamme de longueurs d'onde du proche infrarouge pour noter une fonction rapide et efficace. La configuration expérimentale peut être améliorée en contournant l'exigence de réduire l'écart entre le miroir MEMS et la surface OMS. En utilisant le dispositif développé dans ce travail, Meng et al. réalisé diverses fonctionnalités et des performances dynamiques reconfigurables pour ouvrir des perspectives fascinantes et réaliser des performances élevées, dispositifs contrôlés dynamiquement avec des applications futures potentielles dans les systèmes optiques reconfigurables et adaptatifs.
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