[論文レビュー] Broadband highly-efficient dielectric metadevices for polarization control

Sergey Kruk, Ben Hopkins+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2016

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用数 33

ひとこと要約

本稿では、広帯域で高効率な全ダイエレクトリックメタデバイスを、一般化されたヘイゲンズの原理を用いて反射における破壊的干渉を設計することで、偏光制御に用いる。誘電体メタアトムにおける電気モーメントと磁気モーメントの多重モードをコherentに重ね合わせることで、複数のテレコミュバンドにわたる半波サングル、四分の波サングル、およびq-プレートにおいて、ほぼ100%の透過率と約99%の偏光変換効率を実証した。

ABSTRACT

Metadevices based on dielectric nanostructured surfaces with both electric and magnetic Mie-type resonances have resulted in the best efficiency to date for functional flat optics with only one disadvantage: a narrow operational bandwidth. Here we experimentally demonstrate broadband transparent all-dielectric metasurfaces for highly efficient polarization manipulation. We utilize the generalized Huygens principle, with a superposition of the scattering contributions from several electric and magnetic multipolar modes of the constituent meta-atoms, to achieve destructive interference in reflection over a large spectral bandwidth. By employing this novel concept, we demonstrate reflectionless (~90% transmission) half-wave plates, quarter-wave plates, and vector beam q-plates that can operate across multiple telecom bands with ~99% polarization conversion efficiency.

研究の動機と目的

• 既存の全ダイエレクトリックメタサーフェスにおける偏光制御の狭帯域制限を克服すること。
• 金属的損失がなく、1層で平面的なメタデバイスとして高透過率と効率的な偏光操作を実現すること。
• 複数のテレコミュバンドで広帯域かつ高効率な位相制御を可能にする連続スペクトル動作を実現すること。
• 微小分解能を超える空間的に変化する偏光制御を実現し、ベクトルビームを生成すること。
• 効果的屈折率とピクセル密度において、従来の二重点性結晶や液晶材料を凌駆すること。

提案手法

• 一般化されたヘイゲンズの原理を用い、誘電体メタアトム内の複数の電気的および磁気的多重モードの散乱寄与をコherentに重ね合わせる。
• 多重モード共鳴の位相と振幅を調整することで、広いスペクトル範囲にわたる反射における破壊的干渉を設計する。
• 特定の電気的および磁気的ミエ型共鳴を励起できるように、幾何的パrameterを最適化したメタアトムを設計する。
• フル波動数値シミュレーションを用いて、2πの位相カバレッジと直交する偏光間でπの位相差を達成するためのメタアトム幾何形状を最適化する。
• 電子線リソグラフィーを用いてメタサーフェスをプロトタイピングし、フルポラリメトリとスペクトル透過率測定を用いて性能を評価する。
• スティーブスベクトル形式を用いて偏光状態を復元し、複数のスペクトル的および空間的ポイントでの遅延量を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多重モード干渉を用いた全ダイエレクトリックメタサーフェスで、広帯域かつ高効率な偏光制御が可能かどうか。
• RQ2 反射における破壊的干渉を広いスペクトル範囲にわたって設計することで、透過率を最大化できるか。
• RQ3 メタデバイスの有効二重点性が、結晶や液晶などの従来材料をどれほど上回れるか。
• RQ4 広帯域かつ高透過率のメタサーフェスで、微小分解能を超える空間的に変化する偏光制御が可能かどうか。
• RQ5 ダイエレクトリックメタデバイスにおける偏光変換効率とスペクトル帯域幅の実験的限界は何か。

主な発見

• 実験的検証において、複数のテレコミュバンドで約90%の透過率と約99%の偏光変換効率を達成した。
• 半波サングルの測定遅延量は0.5に近く、四分の波サングルでは0.25に近く、広帯域にわたり高い安定性を示した。
• メタデバイスの有効二重点性は850 nmのパス長でΔn ≈ 0.9に達し、従来材料（Δn ~ 0.3）を上回った。
• メタデバイスは微小分解能を超える空間的分解能を示し、ピクセル密度は液晶アレイの少なくとも3桁以上高い。
• フルポラリメトリ測定により、ほぼ完全な偏光変換が確認された：q-プレートでは垂直偏光から径方向偏光、水平偏光から方位角偏光への変換が実現した。
• メタデバイスのスペクトル帯域幅は、従来のゼロオーダー波長遅延素子や回折光学素子と同等または広い。