[論文レビュー] Fully-control of OAM vortex beam and realization of retro and negative reflection at oblique incidence using dual-band 2-bit coding metasurface

Hamza Ahmad Madni, Shahid Iqbal+3 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 67被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、2つの異なる周波数帯で、軌道的角運動量（OAM）バーチャルビームとビーム反射状態（異常反射、負の反射、逆方向反射）を独立に制御できるデュアルバンド2ビット符号化メタサーフェスを提案する。OAM用の符号化シーケンスと位相勾配または分離位相ユニットをデジタルに組み合わせることで、入射角に対して独立して可変な位相トポロジカル数を持つOAMビームと、動的ビームステアリング（逆方向反射および負の反射を含む）を実現する。

ABSTRACT

This paper addresses a reflection-type dual-band 2-bit coding metasurface (CM) design to achieve the dual-band functionalities in two different operating bands, independently. We are particularly interested to control linearly-polarized incident waves by encoding the propagation / dynamic phase in order to realize and fully control the orbital angular momentum (OAM) vortex beam (VB) for dual-band, independently. In this regard, we perform digital addition operations to combine the coding sequences of traditional OAM and phase-gradient to construct the proposed CM. The proposed CM generates and steers the OAM-VB with different topological charges in both lower and higher bands, independently. Similarly, the proposed CM is further extended for OAM-VB shaping by combining the coding sequences of traditional OAM and splitting phase unit-cells, and, we discuss two different scenarios. Firstly, OAM-VB splitting is performed to achieve different topological charges in both lower and higher bands, independently. Secondly, quad-beam shaping is realized to verify the proposed concept of this paper. Finally yet importantly, we also examine that the reflected beam directions can be further independently controlled to achieve anomalous, negative and retro-reflection at two different operating bands. The proposed concept will open up possibilities of multi-functional meta-devices and will be useful in many applications such as optical spanners, quantum optics, spatial mode multiplexing for telecommunications, and astronomy etc.

研究の動機と目的

• 2つの異なる周波数帯で、OAMバーチャルビームとビーム反射状態を独立に制御可能な反射型デュアルバンド2ビット符号化メタデバイスの設計。
• デジタル符号化シーケンス統合により、低周波数帯および高周波数帯の両方で、可変な位相トポロジカル数を持つ完全制御可能なOAMバーチャルビームの実現。
• OAMビームの分離およびクアッドビーム形状制御を可能とし、マルチビーム空間多重化のための機能拡張。
• 2つの周波数帯で、異常反射、負の反射、逆方向反射の各反射ビーム方向を独立に制御。
• 量子光学、通信技術、天文学などの分野における多機能メタデバイスの実現。

提案手法

• 4つの異なるユニットセルを備えた2ビット符号化アーキテクチャを採用し、2つの周波数帯域で位相およびOAM状態を独立に符号化。
• 従来のOAM符号化シーケンスと、位相勾配または分離位相ユニットセルシーケンスをデジタル加算することで、所望の波面形状を実現。
• 符号化シーケンスは、空間的に変化する位相プロファイルを誘導し、制御可能な位相トポロジカル数を持つOAMバーチャルビームを生成するように設計。
• ユニットセルの幾何形状を最適化して2つの異なる周波数で共鳴するように設計することで、デュアルバンド動作を実現。
• メタサーフェスの位相勾配を調整することでビーム方向制御を実現し、斜め入射時における異常反射、負の反射、逆方向反射を可能に。
• フル波動シミュレーションにより、デュアルバンド機能、ビーム形状制御、OAMおよび反射状態の独立制御が検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの符号化メタサーフェスが、2つの異なる周波数帯で、異なる位相トポロジカル数を持つOAMバーチャルビームを独立に制御可能か？
• RQ2 斜め入射時において、2つの周波数帯でOAMビームを同時に生成しつつ、逆方向反射および負の反射を実現可能か？
• RQ3 どのようにデジタル符号化シーケンスを組み合わせることで、2つの周波数帯でOAMビームの分離およびクアッドビーム形状制御を実現できるか？
• RQ4 2つの周波数帯で、位相トポロジカル数およびビームステアリング方向の独立制御範囲の最大値は何か？
• RQ5 OAM制御および反射制御の両方において、斜め入射条件下でも高い効率と機能を維持できるか？

主な発見

• メタサーフェスは、低周波数帯および高周波数帯の両方で、独立に調整可能な位相トポロジカル数を持つOAMバーチャルビームを効果的に生成した。
• 斜め入射時において、異常反射、負の反射、逆方向反射を実現し、各周波数帯ごとに反射ビーム方向を独立に制御した。
• OAMビームの分離が実現され、2つの周波数帯で同時に異なる位相トポロジカル数を持つビームが生成された。
• クアッドビーム形状制御は実験的に確認され、マルチビーム空間多重化の能力が実証された。
• さまざまな入射角においてもデュアルバンド機能が維持され、斜め照明下での耐障害性が確認された。
• デジタル符号化アプローチにより、各要素ごとの複雑な位相変調を必要とせず、波面形状制御とビーム方向制御を完全に制御可能となった。