[论文解读] A universal optical modulator for synthetic topologically tuneable structured matter

Chao He, Binguo Chen+26 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2023

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用 7

一句话总结

本文提出了一种可重构的任意延迟器阵列，通过级联低功能可调器件，实现作为合成的、拓扑可调的结构物质。该器件实现了对椭圆偏振几何形状、延迟量和相位的全动态控制，为光子应用中的光束整形、分析和波前校正提供了前所未有的灵活性。

ABSTRACT

Topologically structured matter, such as metasurfaces and metamaterials, have given rise to impressive photonic functionality, fuelling diverse applications from microscopy and holography to encryption and communication. Presently these solutions are limited by their largely static nature and preset functionality, hindering applications that demand dynamic photonic systems with reconfigurable topologies. Here we demonstrate a universal optical modulator that implements topologically tuneable structured matter as virtual pixels derived from cascading low functionality tuneable devices, altering the paradigm of phase and amplitude control to encompass arbitrary spatially varying retarders in a synthetic structured matter device. Our approach opens unprecedented functionality that is user-defined with high flexibility, allowing our synthetic structured matter to act as an information carrier, beam generator, analyser, and corrector, opening an exciting path to tuneable topologies of light and matter.

研究动机与目标

• 克服现有可调延迟器阵列在限制光子系统灵活性和可重构拓扑结构方面的局限性。
• 开发一种合成的、可重构的任意延迟器阵列，能够对用户定义的偏振态和相位分布实现可控。
• 利用级联的低功能可调器件，实现对光的椭圆轴几何形状、延迟量和引入相位的高精度、动态调控。
• 建立一个新平台，用于创建、分析和校正具有可重构拓扑结构的结构光束。

提出的方法

• 通过级联多个低功能可调器件构建调制器，形成具有增强自由度的虚拟像素。
• 每个虚拟像素被设计为独立控制入射光的椭圆轴取向、延迟量大小和相位偏移。
• 该系统利用空间复用和相位补偿技术，在阵列上合成任意偏振态。
• 反馈与校准框架确保在整个阵列上对合成延迟器响应实现精确控制。
• 该方法可在不改变硬件的情况下实现调制器响应的动态重构。
• 理论建模与仿真验证了设计，实验验证表明实现了对偏振和相位的完全控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 由低功能可调器件组成的级联阵列能否实现对任意椭圆偏振态的全动态控制？
• RQ2 该合成延迟器阵列在响应用户定义参数时，其拓扑结构可重构的程度如何？
• RQ3 该系统如何在大量虚拟像素阵列上保持相位和延迟量的精度？
• RQ4 此类合成结构物质在生成复杂光场方面的性能极限是什么？

主要发现

• 该调制器实现了对阵列中光的椭圆轴几何形状、延迟量值和引入相位的全动态控制。
• 该系统在无需硬件重构的情况下，展示了在多种拓扑构型间的可重构性。
• 级联设计实现了高精度和高空间分辨率的任意偏振态合成。
• 虚拟像素架构支持用户定义的光子功能，包括光束生成、分析和波前校正。
• 实验结果证实了理论预测，显示出对复杂偏振态的精确且稳定的控制。
• 该方法在结构光生成中实现了新功能，尤其在需要高灵活性和动态重构的应用中表现出色。