[論文レビュー] Gradient metasurfaces: fundamentals and applications

Fei Ding, Anders Pors+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2017

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 197被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、空間的に変化する位相、振幅、偏光応答を通じて光の波フロントを正確に制御できる、平面的で波長未満の共振素子アレイである勾配メタサーフェスをレビューする。設計原理、分類、物理的メカニズム、および平面光学分野における応用（レンズ、ホログラム、偏光計など）を包括的に概説し、非線形およびアクティブメタサーフェス分野における新たな可能性も示唆する。

ABSTRACT

In the wake of intense research on metamaterials the two-dimensional analogue, known as metasurfaces, has attracted progressively increasing attention in recent years due to the ease of fabrication and smaller insertion losses, while enabling an unprecedented control over spatial distributions of transmitted and reflected optical fields. Metasurfaces represent optically thin planar arrays of resonant subwavelength elements that can be arranged in a strictly or quasi periodic fashion, or even in an aperiodic manner, depending on targeted optical wavefronts to be molded with their help. This paper reviews a broad subclass of metasurfaces, viz. gradient metasurfaces, which are devised to exhibit spatially varying optical responses resulting in spatially varying amplitudes, phases and polarizations of scattered fields. Starting with introducing the concept of gradient metasurfaces, we present classification of different metasurfaces from the viewpoint of their responses, differentiating electrical-dipole, geometric, reflective and Huygens' metasurfaces. The fundamental building blocks essential for the realization of metasurfaces are then discussed in order to elucidate the underlying physics of various physical realizations of both plasmonic and purely dielectric metasurfaces. We then overview the main applications of gradient metasurfaces, including waveplates, flat lenses, spiral phase plates, broadband absorbers, color printing, holograms, polarimeters and surface wave couplers. The review is terminated with a short section on recently developed nonlinear metasurfaces, followed by the outlook presenting our view on possible future developments and perspectives for future applications.

研究の動機と目的

• 光学的応答メカニズムに基づいて勾配メタサーフェスを体系的に分類すること。
• 勾配メタサーフェスの構築ブロックとしてのプラズモン的および誘電体的メタサーフェスの基本的物理を解明すること。
• 空間的にエンジニアリングされた位相および偏光制御によって実現される、平面レンズ、ホログラム、ウェーブプレートなどの主要な応用を調査すること。
• 非線形勾配メタサーフェス分野の動向を検討し、今後の光学デバイスにおける可能性を明らかにすること。

提案手法

• 電気双極子型、幾何的型、反射型、およびヒュイヘンス型に分類する。これは、光学的応答特性に基づくものである。
• 波長未満の共振素子が空間的に変化する位相および振幅プロファイルを生成する役割を分析する。
• 低損失かつ高効率な特性を持つ、プラズモン的および誘電体的メタサーフェスを、勾配応答の物理的実現として検討する。
• 波フロント形状合わせの原則を用いて、波長未満の精度で透過または反射光場を制御するメタサーフェスを設計する。
• ヒュイヘンスの原理および一般化されたスネルの法則を用いて、非周期的および準周期的配置における波フロント制御のモデル化と最適化を行う。
• 周波数変換や全光信号処理を目的とした非線形メタサーフェス分野における理論的・実験的進展をレビューする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位相、振幅、偏光制御といった光学的応答メカニズムに基づいて、メタサーフェスはどのように分類できるか？
• RQ2 プラズモン的および誘電体的勾配メタサーフェスが効率的な波フロント制御を可能にする基本的物理的メカニズムは何か？
• RQ3 メタサーフェスがレンズやウェーブプレートなどの平面光学素子として機能するための主要な設計原則は何か？
• RQ4 周期的構造と比較して、非周期的および準周期的メタ原子アレイは波フロント制御をどのように向上させるか？
• RQ5 非線形光学効果を勾配メタサーフェスに統合する場合の見通しと課題は何か？

主な発見

• 勾配メタサーフェスは、空間的にエンジニアリングされた波長未満の共振素子を用いて、光の位相、振幅、偏光を完全に制御可能である。
• 誘電体的メタサーフェスは、プラズモン的メタサーフェスと比較して、より低い伝搬損失と高い効率を示し、広帯域応用に適している。
• 平面レンズやホログラムの応用は、波長未満の精度と高い数値的開口率を実現する波フロント形状合わせを示している。
• ホログラフィックメタサーフェスは、空間的に変化する位相プロファイルを用いて、高い効率と多重機能を達成している。
• 勾配メタサーフェスに基づく偏光計および表面波結合器は、特徴的な偏光応答を設計することで感度と指向性が向上している。
• 非線形メタサーフェスは、共振構造における強い場の局在化を活用することで、全光スイッチングや周波数変換の新たな道筋を開いている。