[論文レビュー] Dielectric nonlocal metasurfaces for fully solid-state ultra-thin optical systems

Aobo Chen, Francesco Monticone|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 25被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、超薄型光学系における自由空間伝搬の置き換えを目的とし、結合共振層からなる誘電非局所メタサーフェスを提案する。これにより、広い角度範囲で高透過率を維持しながら、自由空間長を任意に圧縮可能となる。主な貢献は、焦点距離が像面までの物理的距離を規定しない、完全に固体的で平面型の像形成および集光系の理論的実証である。これは、レンズ設計における従来のトレードオフを克服するものである。

ABSTRACT

Most optical systems involve a combination of lenses separated by free-space regions where light acquires the required angle-dependent phase delay for a certain functionality. Very recently, flat-optics structures have been proposed to compress these large free-space volumes and miniaturize the overall optical system. However, these early designs can only replace free-space volumes of limited length, or operate in a very narrow angular range, or require a high-index background. These issues raise questions about the applicability of these devices in practical scenarios. Here, we first derive a fundamental trade-off between the length of compressed free space and the operating angular range, which explains some of the limitations of earlier designs, and we then propose a solution to relax this trade-off using nonlocal metasurface structures composed of suitably coupled resonant layers. This strategy, inspired by coupled-resonator-based band-pass filters, allows replacing free-space volumes of arbitrary length over wide angular ranges, and with very high transmittance. Finally, we theoretically demonstrate, for the first time, the potential of combining local and nonlocal metasurfaces to realize compact, fully solid-state, planar structures for focusing, imaging, and magnification, in which the focal length of the lens (and hence its magnifying power) does not dictate the actual distance at which focusing is achieved. Our findings are expected to extend the reach of the field of metasurfaces and open new unexplored opportunities.

研究の動機と目的

• 長距離の自由空間伝搬領域を、高い効率と広い入射角応答を備えた既存の平面光学素子が効果的に置き換えることの制限要因に対処すること。
• 従来のメタサーフェスにおいて、圧縮された自由空間長と動作入射角範囲の間にある根本的なトレードオフを克服すること。
• 拡張された自由空間領域の位相応答を模倣しつつ、高透過率と平面統合性を維持する非局所メタサーフェス構造を設計すること。
• 金属レンズと非局所メタサーフェスを組み合わせた、局所的金属レンズと非局所メタサーフェスを有する完全に固体的で超薄型光学系が、集光、像形成、および拡大が可能であることを理論的に実証すること。
• 金属レンズの焦点距離が像面までの物理的距離を制限しないため、光学的性能と物理的サイズを分離可能にする光学系を実現すること。

提案手法

• 著者らは、自由空間伝搬の位相応答 $\varphi(k_t) = L\sqrt{k_0^2 - k_t^2}$ をモデル化することで、置き換えられる自由空間長と動作入射角範囲の間の根本的トレードオフを導出する。
• 位相応答が周波数に線形で、透過率が一様となるように設計された、$n$ 個の共振性誘電層と四分の1波長のスペーサーで構成される非局所メタサーフェス構造を提案する。
• 結合共振器帯域パスフィルタにインspiredされた設計により、制御されたバンド幅を持つ高Qファクター共振を実現し、広帯域動作を可能にする。
• 非局所メタサーフェスの位相応答を、長さ $L$ の自由空間パスの位相蓄積と一致させるために、マルチレイヤースタックをモデル化する伝達行列法を用いて設計する。
• 有限差分時間領域（FDTD）法を用いてシミュレーションを実施し、横方向に $96\lambda_0 \times 96\lambda_0$ の領域を $120 \times 120$ ピクセルに離散化する。
• 非局所デバイスを金属レンズと像形成面の間に統合し、すべての自由空間伝搬を置き換え、焦点距離を調整可能なコンact、平面型光学系を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のメタサーフェスが、広い入射角範囲で長距離の自由空間伝搬を効率的に置き換える能力に制限を受ける根本的要因は何か？
• RQ2 非局所メタサーフェスをどのように設計すれば、横方向波数の広い範囲で高透過率と線形位相応答を達成できるか？
• RQ3 結合共振を有する多層誘電構造が、高屈折率基板を必要とせず、任意の自由空間長の位相蓄積を模倣できるか？
• RQ4 非局所メタサーフェスを用いることで、金属レンズと像面間の物理的距離をどの程度短縮できるか、像形成性能を維持できるか？
• RQ5 完全に固体的で平面型の光学系において、金属レンズの焦点距離を実際の像距離から分離できるか？

主な発見

• 置き換えられる自由空間長 $L$ と動作入射角範囲の間の根本的トレードオフが導出され、単一の共振層を用いた先行研究の制限要因を説明できる。
• 提案された $n$ 層非局所メタサーフェスは、90％以上の高透過率と周波数に線形な位相応答を達成し、任意長の自由空間パスの有効な置き換えを可能にする。
• 像形成距離が $44.6\lambda_0$ にまで短縮されたにもかかわらず、焦点距離が $100\lambda_0$ のまま維持されるという性能を示し、焦点距離と物理的像距離の分離を実証した。
• 非局所メタサーフェスは数パーセントの分数帯域幅と $Q$ 要因15を示し、損失やプロセス公差に対して中程度のロバストネスを示している。
• シリコンや石英などの材料を用いた多層誘電膜コーティングといった標準的なプロセスと互換性があり、金属レンズやセンサーとの実用的統合が可能である。
• 理論的シミュレーションにより、非局所メタサーフェスが、性能を損なわず、完全に固体的で超薄型の光学系を実現可能であることが確認された。