[論文レビュー] "Meta-atomless" architecture based on an irregular continuous fabric of coupling-tuned identical nanopillars enables highly efficient and achromatic metasurfaces

Hüseyin Bilge Yağcı, Hilmi Volkan Demir|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 36被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、連続的に調整可能な近接場結合を有する同一の誘電ナノピラーを密に配置することで、可視光帯域において高効率で、色収差がなく、偏光に依存しない焦点化を実現する「メタ原子なし」メタサーフェス構造を提案する。離散的なメタ原子を排除し、相互結合を位相制御に活用することで、400–700 nmの波長範囲で85%を超える焦点化効率を達成し、回折限界性能を実現した。

ABSTRACT

Metasurfaces are subwavelength-thick constructs, consisting of discrete meta-atoms, providing discretized levels of phase accumulation that collectively approximate a designed optical functionality. The meta-atoms utilizing the Pancharatnam-Berry phase with polarization-converting structures produced encouraging implementations of optical components including metalenses. However, to date, a pending and fundamental problem of this approach has been the low device efficiency that such resulting metasurface components suffer, an unwanted side effect of large lattice constants that are used for preventing intercoupling of their meta-atoms. Although the use of near-field coupling for tuning electromagnetic resonances found its use in constructing efficient narrow-band designs, such structures fell short of providing high efficiency over a broad spectrum. Here, we propose and show that tightly packed fabrics of identical dielectric nanopillar waveguides with continuously tuned intercoupling distances make excellent and complete achromatic metasurface elements. This architecture enables the scatterers to interact with the incoming wave extremely efficiently. As a proof-of-concept demonstration, we showed an achromatic cylindrical metalens, constructed from strongly coupled dielectric nanopillars of a single geometry as continuously set phase elements in a meta-atomless fashion, working in the entirety of the 400-700 nm band. This metalens achieves over 85% focusing efficiency across this whole spectral range. To combat polarization sensitivity, we used hexagonally stacked nanopillars to build up a polarization-independent scatterer library. Finally, a circular metalens with polarization-independent operation and achromatic focusing was obtained. This is a paradigm shift in making an achromatic metasurface architecture by weaving identical nanopillars coupled into an irregular lattice laterally constructed via carefully tuned near-field coupling.

研究の動機と目的

• 非結合メタ原子に基づく従来のメタサーフェスの低効率性および波長帯域制限を克服すること。
• 色収差メタサーフェスにおける相互結合の抑制と高効率性の間の根本的トレードオフを解消すること。
• 単一のナノピラー幾何形状を用いて、広帯域、偏光に依存しない、回折限界の焦点化を実現すること。
• 2次元格子における相互結合の連続的チューニングが、共振またはPB位相に基づく位相制御を置き換えることができることを示すこと。

提案手法

• 近接粒子間距離を連続的に変化させることで、近接場結合を調整する同一の誘電ナノピラーからなる2次元不規則格子の設計。
• 有限差分時間法（FDTD）を用いて、可視光帯域全域における位相応答を計算し、結合強度を最適化。
• ナノピラー配置における4重対称性の破壊を実現するハニカム積層構造を採用し、偏光独立性を達成。
• 不規則格子における配置誤差を最小化する最適化アルゴリズムを実装し、正確な波面整形を実現。
• NA = 0.26、f = 11 µm の円柱型および円形メタレンズのシミュレーションを実施して手法の妥当性を検証。
• スチュール比とビームプロファイル解析を用いて、焦点化性能および回折限界動作を定量的に評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一のナノピラー間の相互結合を、離散的メタ原子の代わりに連続的位相チューニングメカニズムとして活用できるか？
• RQ2 このような結合格子が、可視光帯域全域で広帯域の色収差のない焦点化を高効率で実現できるか？
• RQ3 複雑なメタ原子幾何形状や偏光 multiplexing に依存せずに、偏光に依存しない動作を達成できるか？
• RQ4 2次元格子における相互結合の連続的チューニングが、メタサーフェスにおける共振またはPB位相に基づく位相蓄積の必要性を排除できるか？

主な発見

• 円柱型メタレンズは、400–700 nmの全波長範囲で85%を超える焦点化効率を達成した。
• 円形メタレンズは、すべての波長で理論的限界に達するスチュール比を示し、回折限界性能を示した。
• 焦点位置のスポットサイズと焦点深度は波長に比例し、スペクトル全域でビームプロファイルの変動が最小限に抑えられた。
• ヘキサゴナル積層により偏光に依存しない動作が達成され、XおよびY偏光入射時の対比はわずか5%未満であった。
• 結合格子の位相応答は、理想の位相関数とよく一致しており、連続的結合近似の妥当性が裏付けられた。
• 特に広帯域および偏光に依存しない動作において、最近の最先端メタサーフェスと比較して、効率および色収差性能の両面で優れた性能を示した。