[論文レビュー] Controlling the sign of chromatic dispersion in diffractive optics

Ehsan Arbabi, Amir Arbabi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2017

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、誘電体メタサーフェスを用いて、回折光学素子における色収差分散の符号を制御することを、初めて実証した。ナノポストを設計して位相とその波長微分を独立に制御することで、正の分散、ゼロ分散、およびハイパーネガティブ分散を示す反射型グレーティングおよびミラーを実現した。実験的に、色収差分散を5倍まで低減し、従来の回折素子と比較してほぼ3倍の動作帯域幅を達成した。

ABSTRACT

Diffraction gratings disperse light in a rainbow of colors with the opposite order than refractive prisms, a phenomenon known as negative dispersion. While refractive dispersion can be controlled via material refractive index, diffractive dispersion is fundamentally an interference effect dictated by geometry. Here we show that this fundamental property can be altered using dielectric metasurfaces, and we experimentally demonstrate diffractive gratings and focusing mirrors with positive, zero, and hyper negative dispersion. These optical elements are implemented using a reflective metasurface composed of dielectric nano-posts that provide simultaneous control over phase and its wavelength derivative. In addition, as a first practical application, we demonstrate a focusing mirror that exhibits a five fold reduction in chromatic dispersion, and thus an almost three times increase in operation bandwidth compared to a regular diffractive element. This concept challenges the generally accepted dispersive properties of diffractive optical devices and extends their applications and functionalities.

研究の動機と目的

• 回折光学素子が干渉効果によって本質的に負の分散を示すという根本的制限を克服すること。
• 従来の回折光学素子に分散制御のチューナビリティが欠如していることによる帯域幅と応用範囲の制限を解消すること。
• 再構成可能な光学プラットフォームを誘電体メタサーフェスを用いて開発し、反射型光学素子における任意の分散設計を可能にすること。
• 焦点鏡における色収差分散の低減を通じて実用的利点を実証し、動作帯域幅を拡大すること。

提案手法

• 波長スケールのナノポストを空間的に変化させる幾何構造を有する反射型誘電体メタサーフェスを設計し、位相とその波長微分を両方制御する。
• 計算最適化を用いて、スペクトル全域における所望の分散特性を達成するためのナノポストの寸法と配置を最適化する。
• メタサーフェスを2通りの構成に適用：反射型回折グレーティングおよび焦点鏡。
• 幾何的設計を活用して位相とその微分を独立に制御し、分散の符号と大きさを操作可能にする。
• スペクトル応答およびビーム焦点特性の実験的測定を通じて、分散制御の妥当性を検証する。
• 従来の回折光学素子と比較して、色収差分散と帯域幅における性能向上を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のグレーティングが固有に示す負の分散を超えて、回折光学素子における色収差分散の符号を能動的に制御可能か？
• RQ2 誘電体メタサーフェスは、分散設計のための位相とその波長微分をどの程度独立して制御可能か？
• RQ3 メタサーフェスを用いた回折素子を用いて、色収差分散を最大どれほど低減できるか？
• RQ4 メタサーフェスを用いた焦点鏡の性能は、従来の回折鏡と比較して帯域幅および焦点品質の面でどの程度優れているか？
• RQ5 ハイパーネガティブ分散の概念は実験的に実現可能であり、光学系性能の向上に応用可能か？

主な発見

• 著者らは、同一の誘電体メタサーフェスプラットフォームを用いて、正の分散、ゼロ分散、およびハイパーネガティブ分散を示す回折光学素子を実験的に実証した。
• 分散を設計した反射型焦点鏡は、標準の回折鏡と比較して色収差分散を5倍まで低減した。
• この分散低減により、動作帯域幅がほぼ3倍に拡大され、広いスルーバンド範囲でミラー性能が顕著に向上した。
• メタサーフェス設計により、位相とその波長微分の同時制御が可能となり、任意の分散チューニングに不可欠な要因となった。
• 実験結果は、回折光学素子の分散特性が本質的に固定されておらず、ナノ幾何的設計によって再プログラミング可能であることを確認した。
• 本手法は、広帯域かつ高精度な回折光学素子を設計する新たな道筋を提供し、高度なイメージングおよび分光測定システムへの応用が期待される。