[논문 리뷰] Dielectric Metasurfaces for Complete and Independent Control of Optical Amplitude and Phase

Adam Overvig, Sajan Shrestha외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 01.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 48인용 수 475

한 줄 요약

이 논문은 구조적 이방성 메타원자와 조절 가능한 형상 이방성을 갖는 구조를 통해 한 개 또는 두 개의 주파수에서 광학적 진폭과 위상을 완전하고 독립적으로 제어할 수 있는 유전체 메타표면 플랫폼을 제시한다. 이 접근법은 동시에 진폭과 위상을 조절함으로써 고효율이고 잡음이 없는 허모그래피를 실현하여 반복 알고리즘 없이 고정밀도 2차원 및 3차원 허모그래픽 영상 구현이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 위상 전용 메타표면이 진폭과 위상을 독립적으로 제어할 수 없는 한계를 극복하기 위해.
• 일관된 위상과 진폭을 동시에 독립적으로 제어할 수 있는 CMOS 호환성 있는 전면 유전체 메타표면 플랫폼을 개발하기 위해.
• 반복 최적화 알고리즘 없이 고정밀도, 잡음이 없는 컴퓨터 생성 허모그래피를 구현하기 위해.
• 메타표면 및 물체 평면에서의 위상 및 진폭 프로파일 별도 인코딩, 강도 제어, 질감이 있는 3차원 허모그래픽 물체와 같은 새로운 허모그래픽 기능을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 서로 다른 편광 수준 간의 원형 편광 빛의 변환 효율을 통해 형상 이방성을 이용해 진폭을 제어하는 구조적 이방성 유전체 메타원자를 활용한다.
• 메타원자의 평면 내 방향을 회전시켜 기하학적(판카라트남-베리) 위상을 이용해 전달된 빛의 출력 위상을 제어한다.
• 진폭(A_o, A_e)과 위상(ϕ_o, ϕ_e) 반응을 일반축 및 특수축에 따라 조합한 전송 행렬을 사용해 시스템을 존저 계산법으로 모델링한다.
• 메타원자의 높이 d와 효과적 굴절률 n_o, n_e를 설계하여 ϕ_o,e = k₀n_o,e d 식을 통해 원하는 위상 이동을 달성한다.
• 구조적 산란를 설계하여 두 개의 서로 다른 파장에서 독립적인 진폭 및 위상 제어를 실현하는 이중 주파수 설계를 적용한다.
• Gerchberg-Saxton 알고리즘의 수렴 문제를 피하기 위해 반복적이지 않은 직접 합성 방식을 사용해 복소 전송 함수를 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유전체 메타표면이 광학 주파수에서 진폭과 위상을 독립적이고 완전하게 제어할 수 있는가?
• RQ2 이 이중 제어 플랫폼은 반복적 위상 복원 알고리즘 없이 잡음이 없는 허모그래픽 영상 구현이 가능한가?
• RQ3 진폭과 위상 제어를 독립적으로 구현함으로써 어떤 새로운 허모그래픽 기능이 가능해지는가? 예를 들어 물체 평면과 메타표면 평면에서의 별도 인코딩.
• RQ4 이미지 정밀도와 효율성 측면에서 위상-진폭 허모그래피는 위상 전용 허모그래피보다 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 플랫폼은 다중 파장 허모그래피를 위해 두 개의 서로 다른 광학 주파수에서 동시에 진폭과 위상을 제어할 수 있는가?

주요 결과

• 메타표면 플랫폼은 형상 이방성과 평면 내 회전이라는 두 가지 기하학적 자유도만으로 진폭과 위상을 독립적으로 제어한다.
• 위상-진폭(PA) 메타표면으로 생성된 허모그래피는 반복 알고리즘을 필요로 하고 이미지 품질이 떨어지는 위상 전용(PO) 허모그래피와 달리 진동 현상이나 스펙클 노이즈 없이 구현된다.
• 이 방법은 위상 전용 허모그래피로는 구현할 수 없는 질감이 있는 고정밀도 3차원 허모그래픽 물체를 가능하게 한다.
• 이 플랫폼은 물체 평면에서 위상 및 진폭 프로파일을 별도로 인코딩할 수 있으며, 메타표면 및 물체 평면에서의 강도 분포를 독립적으로 제어할 수 있다.
• 최소한의 RMS 오차로 고효율을 달성했으며, 메타표면 및 물체 평면에서의 이미지 품질 간의 상충 관계는 분석적이고 실험적으로 검증되었다.
• 이 방법은 이중 파장 동작으로 확장되어 두 개의 서로 다른 광학 주파수에서 동시에 진폭과 위상을 제어할 수 있으며, 독립적인 조절이 가능한 다색 허모그래피를 실현하였다.