[論文レビュー] Dielectric Metasurfaces for Complete and Independent Control of Optical Amplitude and Phase

Adam Overvig, Sajan Shrestha+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 48被引用数 475

ひとこと要約

本論文では、構造的二色性を持つメタ原子と可変な形態二色性および平面内回転を用いて、1つまたは2つの周波数において光学的位相と振幅を完全に独立して制御できる誘電体メタサーフェスプラットフォームを提示する。この手法により、同時に振幅と位相を変調することで、反復アルゴリズムを用いない高効率でアーチファクトのないホログラフィーが実現され、2次元および3次元ホログラフィックイメージングが高忠実度で可能になる。

ABSTRACT

Metasurfaces are optically thin metamaterials that promise complete control of the wavefront of light but are primarily used to control only the phase of light. Here, we present an approach, simple in concept and in practice, that uses meta-atoms with a varying degree of form birefringence and rotation angles to create high-efficiency dielectric metasurfaces that control both the optical amplitude and phase at one or two frequencies. This opens up applications in computer-generated holography, allowing faithful reproduction of both the phase and amplitude of a target holographic scene without the iterative algorithms required in phase-only holography. We demonstrate all-dielectric metasurface holograms with independent and complete control of the amplitude and phase at up to two optical frequencies simultaneously to generate two- and three-dimensional holographic objects. We show that phase-amplitude metasurfaces enable a few features not attainable in phase-only holography; these include creating artifact-free two-dimensional holographic images, encoding phase and amplitude profiles separately at the object plane, encoding intensity profiles at the metasurface and object planes separately, and controlling the surface textures of three-dimensional holographic objects.

研究の動機と目的

• 従来の位相のみのメタサーフェスが振幅と位相を独立して制御できないという制限を克服すること。
• 1つまたは2つの光学周波数において、同時にかつ独立して振幅と位相を制御できる、CMOS準拠の全誘電体メタサーフェスプラットフォームの開発。
• 反復最適化アルゴリズムを用いない高忠実度でアーチファクトのないコンピュータ生成ホログラフィーの実証。
• 位相と振幅プロファイルの別々のエンコード、メタサーフェス面および物体面での強度制御、およびテクスチャのある3次元ホログラフィックオブジェクトといった、新たなホログラフィック機能の実現。

提案手法

• 右回りと左回りの円偏光光の間での変換効率を制御することで、振幅を制御する構造的二色性を持つ誘電体メタ原子を用いる。
• メタ原子の平面内方向の回転を用いて幾何的（パーンチャラトナム＝ベリー）位相を実現し、透過光の出力位相を制御する。
• システムをジョーンズ記法でモデル化し、通常光軸および特異光軸に沿った振幅（A_o, A_e）および位相（ϕ_o, ϕ_e）応答を組み合わせた透過行列を用いる。
• 高さdおよび有効屈折率n_o, n_eを持つメタ原子を設計し、ϕ_o,e = k₀n_o,e dにより所望の位相シフトを達成する。
• 構造的分散を設計することで2周波数設計を実現し、2つの異なる波長において独立した振幅および位相制御を達成する。
• Gerchberg-Saxtonアルゴリズムの収束問題を回避するため、複素透過関数の反復的でない直接合成を用いてホログラムを生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 誘電体メタサーフェスは、光周波数において振幅と位相を完全に独立して制御可能か？
• RQ2 この二重制御プラットフォームは、反復的位相回復アルゴリズムを用いずにアーチファクトのないホログラフィックイメージングを可能にするか？
• RQ3 振幅と位相の独立制御により、物体面およびメタサーフェス面上での別々のエンコードといった、どのような新たなホログラフィック機能が実現可能になるか？
• RQ4 画像忠実度および効率の観点から、位相-振幅ホログラフィーと位相のみホログラフィーの性能はどのように比較されるか？
• RQ5 このプラットフォームは、2つの異なる光学周波数において同時に振幅と位相を制御でき、多波長ホログラフィーを実現できるか？

主な発見

• メタサーフェスプラットフォームは、形態二色性と平面内回転という2つの幾何的自由度のみを用いて、振幅と位相の独立制御を達成している。
• 位相-振幅（PA）メタサーフェスで生成されたホログラムには、リングスやスパムノイズが見られず、反復的GSアルゴリズムを必要とし画像劣化を引き起こす位相のみ（PO）ホログラムとは対照的である。
• この手法により、従来の位相のみホログラフィーでは実現できない、明確な表面テクスチャを有する高忠実度の3次元ホログラフィックオブジェクトが実現可能である。
• プラットフォームは、物体面上での位相と振幅プロファイルの別々のエンコードを可能にするとともに、メタサーフェス面および物体面上での強度分布の独立した制御を実現している。
• システムは最小限のRMS誤差で高効率を達成しており、メタサーフェス面と物体面上での画像品質のトレードオフが解析的および実験的に検証されている。
• この手法は二波長動作へと拡張され、2つの異なる光学周波数において同時に振幅と位相を制御でき、独立したチューニングを伴うマルチカラー・ホログラフィーの実現が示された。