[論文レビュー] Complete Control of Polarization and Phase of Light with High Efficiency and Sub-wavelength Spatial Resolution

Amir Arbabi, Yu Horie+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2014

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、楕円形ナノポストからなる高コントラストな誘電体メタサーフェスを提案し、波長未満の空間分解能で光の偏光状態と位相を完全かつ高効率に制御することを可能にする。このプラットフォームは偏光と位相の同時制御を実現し、切り替え可能なホログラムや任意のベクトルビーム発生器のような新規な光学素子の実現を可能にする。

ABSTRACT

Meta-surfaces are planar structures that locally change polarization, phase, and amplitude of light, thus enabling flat, lithographically patterned free-space optical components with functionalities controlled by design. Several types of meta-surfaces have been reported, but low efficiency and the inability to provide simultaneous phase and polarization control have limited their applications. Here we demonstrate a platform based on high-contrast dielectric elliptical nano-posts providing complete and efficient control of polarization and phase with sub-wavelength spatial resolution. The unprecedented freedom in manipulating light not only enables realization of conventional free-space transmissive optical elements such as phase-plates, wave-plates and beam-splitters, but also elements with novel functionalities such as general polarization switchable phase holograms and arbitrary vector beam generators which will change the design paradigms for free-space optical systems.

研究の動機と目的

• 既存のメタサーフェスが同時に位相と偏光を制御できないという制限を克服すること。
• 偏光および位相の両方を高効率かつ波長未満のスケールで制御可能なプラットフォームの開発。
• 従来の光学を超えた機能を有する新規な自由空間光学素子の設計を可能にすること。
• 切り替え可能な位相ホログラムや任意のベクトルビーム発生器といった実用的応用の実証。

提案手法

• 基板上にパターンされた高コントラストな誘電体楕円形ナノポストを用いて、透過光の位相と偏光状態を局所的に制御する。
• ナノポストの幾何形状と配置を最適化することで、光の位相状態と偏光状態を独立して制御可能にする。
• 楕円形ナノポストの異方性光学応答を活用し、偏光状態のPoincaré球全体をカバーする。
• 標準的なリソグラフィー技術を用いてメタサーフェスをプロセスし、波長未満の分解能でスケーラブルかつ高精度なパターン形成を実現。
• 理論的モデリングとシミュレーションを用いて、最大効率と所望の波面形状を得るためのナノポスト寸法および配置を最適化。
• シミュレーションと理論的分析により、可視光から近赤外域にわたるスペクトル範囲で偏光および位相の完全な制御が可能であることを検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一のメタサーフェス設計が、光の偏光および位相を同時に高効率で制御できるか。
• RQ2 どのようなナノ構造幾何形状が、波長未満の空間分解能で偏光および位相を完全に制御可能にするか。
• RQ3 このプラットフォームが、切り替え可能なホログラムや任意のベクトルビーム生成といった新規な光学機能を実現できるか。
• RQ4 高コントラストな誘電体アプローチは、従来のメタサーフェス設計と比較してどのように効率を向上させるか。
• RQ5 平面的でリソグラフィーで作製可能な構造によって、任意のベクトルビームを生成するための設計原則は何か。

主な発見

• メタサーフェスは、波長未満の空間分解能で光の偏光および位相を完全かつ高効率に制御可能である。
• このプラットフォームは、位相板、波長板、ビームスプリッタなどの従来の光学素子を、より柔軟な設計で実現可能である。
• 一般化された偏光切り替え可能な位相ホログラムをサポートし、回折パターンの動的再構成が可能である。
• 任意のベクトルビーム発生器を実現可能であり、波面全体にわたり複雑な偏光状態を生成可能である。
• 高コントラストな誘電体設計により、効率が高く、従来のメタサーフェスプラットフォームの低効率および部分的制御の欠点を克服している。
• 単一の平面的部品により光の偏光および位相を完全に制御できるという新しい設計パラダイムを確立し、自由空間光学系の発展に貢献する。