[论文解读] Broadband highly-efficient dielectric metadevices for polarization control

Sergey Kruk, Ben Hopkins+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2016

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用 33

一句话总结

本文提出了一种超宽带、高效率的全介质超表面，用于偏振控制，利用广义惠更斯原理在宽光谱带宽内工程化反射中的相消干涉。通过相干叠加介质元原子中的电偶极子和磁偶极子多极模式，作者在多个电信代波段中实现了半波片、四分之一波片和q-plates中接近100%的透射率和约99%的偏振转换效率。

ABSTRACT

Metadevices based on dielectric nanostructured surfaces with both electric and magnetic Mie-type resonances have resulted in the best efficiency to date for functional flat optics with only one disadvantage: a narrow operational bandwidth. Here we experimentally demonstrate broadband transparent all-dielectric metasurfaces for highly efficient polarization manipulation. We utilize the generalized Huygens principle, with a superposition of the scattering contributions from several electric and magnetic multipolar modes of the constituent meta-atoms, to achieve destructive interference in reflection over a large spectral bandwidth. By employing this novel concept, we demonstrate reflectionless (~90% transmission) half-wave plates, quarter-wave plates, and vector beam q-plates that can operate across multiple telecom bands with ~99% polarization conversion efficiency.

研究动机与目标

• 解决现有全介质超表面在偏振控制方面工作带宽窄的局限性。
• 在单层、平面化超表面中实现高透射率和高效的偏振调控，且无金属损耗。
• 实现在多个电信代波段内连续的光谱操作，具备高效率和相位控制能力。
• 在亚波长分辨率下实现空间可变的偏振控制，用于矢量光束生成。
• 在有效双折射率和像素密度方面超越传统双折射晶体和液晶材料。

提出的方法

• 利用广义惠更斯原理，相干叠加介质元原子中多个电偶极子和磁偶极子多极模式的散射贡献。
• 通过调节多极共振的相位和振幅，工程化宽光谱范围内的反射相消干涉。
• 设计具有特定几何参数的元原子，以激发特定的电偶极子和磁偶极子Mie型共振。
• 使用全波数值模拟优化元原子几何结构，实现2π的相位覆盖以及正交偏振之间π的相位差。
• 采用电子束光刻技术制备超表面，并通过全 Stokes 参数测量和光谱透射率测量表征性能。
• 应用 Stokes 矢量形式推导偏振态，并在多个光谱和空间点测量延迟量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过多极干涉在全介质超表面中实现超宽带、高效率的偏振控制？
• RQ2 如何在宽光谱范围内工程化反射中的相消干涉以最大化透射率？
• RQ3 超表面的有效双折射率在多大程度上可超过传统材料（如晶体或液晶）？
• RQ4 能否在超宽带、高透射率的超表面中实现亚波长分辨率的空间可变偏振控制？
• RQ5 在全介质超表面中，偏振转换效率和光谱带宽的实验极限是什么？

主要发现

• 实验验证表明，该超表面在多个电信代波段中实现了约90%的透射率和约99%的偏振转换效率。
• 半波片的测量延迟量接近0.5，四分之一波片的测量延迟量接近0.25，在宽光谱范围内表现出高度稳定性。
• 超表面的有效双折射率在850 nm路径长度下达到Δn ≈ 0.9，超过传统材料（Δn ~ 0.3）。
• 该超表面展示了亚波长空间分辨率，像素密度至少比液晶阵列高出三个数量级。
• 全 Stokes 参数测量证实了近乎完美的偏振转换：q-plates中垂直偏振到径向偏振，水平偏振到方位偏振。
• 该超表面的光谱带宽与传统零级波片或衍射光学元件相当或更宽。