[论文解读] Controlling the sign of chromatic dispersion in diffractive optics

Ehsan Arbabi, Amir Arbabi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2017

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用 4

一句话总结

该论文首次通过介质超表面实现了对衍射光学中色散符号的控制。通过设计纳米柱以独立调控相位及其波长导数，作者制备了具有正、零及超负色散的反射光栅和反射镜——实验上实现了色散五倍降低，并将工作带宽几乎提升至传统衍射元件的三倍。

ABSTRACT

Diffraction gratings disperse light in a rainbow of colors with the opposite order than refractive prisms, a phenomenon known as negative dispersion. While refractive dispersion can be controlled via material refractive index, diffractive dispersion is fundamentally an interference effect dictated by geometry. Here we show that this fundamental property can be altered using dielectric metasurfaces, and we experimentally demonstrate diffractive gratings and focusing mirrors with positive, zero, and hyper negative dispersion. These optical elements are implemented using a reflective metasurface composed of dielectric nano-posts that provide simultaneous control over phase and its wavelength derivative. In addition, as a first practical application, we demonstrate a focusing mirror that exhibits a five fold reduction in chromatic dispersion, and thus an almost three times increase in operation bandwidth compared to a regular diffractive element. This concept challenges the generally accepted dispersive properties of diffractive optical devices and extends their applications and functionalities.

研究动机与目标

• 克服衍射光学因干涉效应固有地表现出负色散的根本限制。
• 解决传统衍射光学元件缺乏可调色散控制的问题，该问题限制了其带宽和应用范围。
• 开发一种基于介质超表面的可重构光学平台，实现在反射光学元件中任意色散工程。
• 通过在聚焦反射镜中降低色散，展示实际性能优势，从而提升工作带宽。

提出的方法

• 设计一种由亚波长纳米柱组成的反射式介质超表面，通过其空间变化的几何结构控制相位及其波长导数。
• 采用计算优化方法，调节纳米柱的尺寸与排布，以在全光谱范围内实现期望的色散特性。
• 将超表面应用于两种结构：反射式衍射光栅和聚焦反射镜，均工作在反射模式。
• 利用几何结构独立控制相位及其导数，从而实现对色散符号和大小的调控。
• 通过测量光谱响应和光束聚焦特性，验证色散控制性能。
• 与传统衍射光学元件对比，量化在色散和带宽方面的性能提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够超越传统光栅固有的负色散，主动控制衍射光学中色散的符号？
• RQ2 介质超表面在多大程度上可实现对相位及其波长导数的独立控制，以实现色散工程？
• RQ3 基于超表面的衍射元件可实现的色散最小化程度最高可达多少？
• RQ4 与传统衍射反射镜相比，基于超表面的聚焦反射镜在带宽和聚焦质量方面表现如何？
• RQ5 超负色散的概念是否可被实验实现，并应用于提升光学系统性能？

主要发现

• 作者通过单一介质超表面平台，实验展示了具有正、零及超负色散的衍射光学元件。
• 通过工程化设计的反射聚焦镜，其色散相比标准衍射镜降低了五倍。
• 该色散降低带来了几乎三倍的带宽提升，显著增强了镜面在更宽光谱范围内的性能。
• 超表面设计实现了对相位及其波长导数的同步控制，这对实现任意色散调谐至关重要。
• 实验结果证实，衍射光学的色散特性并非根本固定，可通过纳米几何结构工程实现重编程。
• 该方法为设计宽带、高精度的衍射光学元件开辟了新途径，可按需调控色散，适用于先进成像与光谱分析系统。