[論文レビュー] Perfect Diffraction with Bianisotropic Metagratings

Zhiyuan Fan, Maxim R. Shcherbakov+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 43被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、近接場結合を介して2つのダーク共鳴モードを励起できるように鏡対称性を破ることで、近似完璧な効率で特定の1つの回折次数に光を効率的に偏光する、波長未満の多共鳴的メタ分子を用いた相反性メタグレーティングの設計を提案する。4つの直交する放射パターンの干渉によって、他のすべての回折次数が抑制され、特に集光したビームに対しても高い効率を示す実験的検証がなされている。

ABSTRACT

One highly desirable function of a diffraction grating is its ability to deflect incident light into a specific diffraction order with near-perfect efficiency. While such asymmetry can be achieved in a variety of ways, e.g., by using a sawtooth (blazed) geometry, a recently emerged approach is to use a planar metagrating comprised of designer multi-resonant periodic units (metamolecules). Here we demonstrate that a bianisotropic unit cell supporting four resonances interfering in the far field can be used as a building block for achieving the prefect deflection. A coupled mode analysis shows that these modes provide a small number of orthogonal electromagnetic radiation patterns that are needed to suppress transmission/reflection into all but one diffraction order. Bianisotropy caused by a mirror symmetry breaking enables a normally incident wave to excite, through near-field couplings, two otherwise "dark" resonant modes. We design and experimentally realize bianisotropic metamolecules which are sub-wavelength in all three dimensions, and whose optical properties are desensitized to fabrication imperfections by their geometric simplicity. We show that optical beams tightly focused onto the metagratings with just a few unit cells can also be asymmetrically deflected with high efficiency, paving the way for compact broadband optical devices.

研究の動機と目的

• 平面的メタグレーティングを用いて、1つの目的の回折次数への近似完璧な回折効率を達成すること。
• 従来のブレーズグレーティングの制限を克服し、波長未満で幾何的に単純なユニットセルを用いて高効率を実現すること。
• 相反性と近接場結合を活用してダークモードを励起し、望ましくない回折次数を抑制すること。
• 幾何的単純性と多共鳴干渉を活かして、製造誤差に対して頑丈なメタグレーティングを設計すること。
• 少数のユニットセルからなるアレイや、集光した入射ビームに対しても高効率のビーム偏向を実証すること。

提案手法

• 4つの共鳴モードを有する相反性ユニットセルを設計し、それらが直交する遠方場放射パターンを生成するようにする。
• 鏡対称性の破壊を用いて、近接場結合により通常は励起されない2つのダーク共鳴モードを励起可能にする。
• 結合モード理論を適用して、1つの回折次数以外への透過・反射を抑制する干渉効果をモデル化する。
• 製造誤差への感受性を低減するため、幾何的に単純な波長未満の3次元メタ分子を実装する。
• 少数のユニットセルからなるメタグレーティングに集光した光学ビームを照射し、実験的検証を実施する。
• 広帯域の光学周波数範囲で回折効率およびビーム偏向性能を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 少数のユニットセルを用いた平面的メタグレーティングが、1つの回折次数への近似完璧な回折効率を達成できるか？
• RQ2 相反性と近接場結合をどのように活用して、不要な回折次数を抑制するダークモードを励起できるか？
• RQ3 メタ分子設計における幾何的単純性が、製造誤差に対する耐性をどの程度向上させるか？
• RQ4 入射ビームが少数のユニットセルに集光された場合でも、高効率のビーム偏向を維持できるか？
• RQ5 複数の共鳴モードが生成する4つの直交する放射パターンが、回折次数の選択的抑制に果たす役割は何か？

主な発見

• メタグレーティングは、4つの直交する放射パターンの干渉により、すべての他の回折次数が抑制され、1つの目的の回折次数への近似完璧な回折効率を達成した。
• 鏡対称性の破壊によって生じる相反性が、近接場結合を介して2つのダーク共鳴モードを励起可能にし、不要な回折の抑制に不可欠であることが明らかになった。
• 実装されたメタ分子は3次元すべての方向で波長未満であり、幾何的単純性のおかげで製造誤差に対して高い耐性を示した。
• 実験結果から、入射ビームが少数のユニットセルに集光された場合でも、高い回折効率が確認された。
• 設計は広帯域性能を示し、さまざまな光学周波数範囲で効率的なビーム偏向が可能であることが実証された。
• 結合モード解析により、4つの共鳴モードが、1つの回折次数以外のすべての回折次数を効果的に抑制するために必要な直交する放射パターンを提供することが確認された。