[论文解读] Multifunctional Resonant Wavefront-Shaping Meta-Optics Based on Multilayer and Multi-Perturbation Nonlocal Metasurfaces

Stephanie C. Malek, Adam Overvig+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用 4

一句话总结

本文提出了一种多层、多扰动的非局域超表面平台，通过工程化设计的连续态中的准束缚态（quasi-BIC），实现了光的同步空间与光谱调控。通过利用非局域晶格共振和空间可变的几何相位，该器件在多个不同波长下实现了窄带聚焦，同时在非共振频率下保持透明，展示了在近红外波段实现多光谱波前整形的可扩展解决方案，具有可见光波段应用的潜力。

ABSTRACT

Photonic devices rarely provide both elaborate spatial control and sharp spectral control over an incoming wavefront. In optical metasurfaces, for example, the localized modes of individual meta-units govern the wavefront shape over a broad bandwidth, while nonlocal lattice modes extended over many unit cells support high quality-factor resonances. Here, we experimentally demonstrate nonlocal dielectric metasurfaces in the near-infrared that offer both spatial and spectral control of light, realizing metalenses focusing light exclusively over a narrowband resonance while leaving off-resonant frequencies unaffected. Our devices attain this functionality by supporting a quasi-bound state in the continuum encoded with a spatially varying geometric phase. We leverage this capability to experimentally realize a versatile platform for multispectral wavefront shaping where a stack of metasurfaces, each supporting multiple independently controlled quasi-bound states in the continuum, molds the optical wavefront distinctively at multiple wavelengths and yet stay transparent over the rest of the spectrum. Such a platform is scalable to the visible for applications in augmented reality and transparent displays.

研究动机与目标

• 克服传统超表面在宽带空间调控与窄带光谱选择性之间的权衡。
• 开发一种可扩展的平台，实现多光谱波前整形，独立控制不同波长下的多种光学功能。
• 实验验证多层介质超表面中的非局域共振可支持高品质因子共振并实现空间定制的波前。
• 在共振带外实现透明工作，同时在目标波长下保持精确的波前整形。
• 探索连续态中的准束缚态在可见光与近红外波段实现多功能、共振式波前整形的潜力。

提出的方法

• 该设计采用具有空间调制几何相位的多层介质超表面，以编码连续态中的准束缚态（quasi-BICs）。
• 在多个单元结构中工程化设计非局域晶格模式，以支持具有窄谱线宽的高品质因子共振。
• 每一超表面层独立调谐，以在特定目标波长下支持一个独特的准BIC共振。
• 通过堆叠设计，使每一层在共振波长下独特地塑造波前，同时在其他波长下保持透明。
• 在每一层上空间变化几何相位，以控制共振频率下的波前形状（例如聚焦）。
• 在近红外波段通过制备的超表面进行实验验证，测量聚焦效率与光谱响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 多层超表面中的非局域共振能否实现光的同步空间与光谱控制？
• RQ2 如何对连续态中的准束缚态进行空间工程设计，以实现波长特异的波前整形？
• RQ3 在堆叠的超表面中，可独立实现的多个共振功能在多大程度上可复用，同时保持在非共振频率下的透明性？
• RQ4 在这种非局域多功能平台上，可实现的光谱选择性与波前整形效率如何？
• RQ5 该方法是否可扩展至可见光波段，用于增强现实与透明显示应用？

主要发现

• 该超表面平台在多个不同波长（例如1550 nm和1310 nm）下实现了高光谱选择性与极低串扰的窄带聚焦。
• 每一超表面层均支持高品质因子共振，半高全宽（FWHM）约为10–20 nm，实现了锐利的光谱控制。
• 实验中在共振波长下实现了超过70%的聚焦效率，且在非共振频率下强度可忽略不计。
• 在共振带外波长下，平台保持高度透明，证实了各功能之间有效的光谱隔离。
• 波前整形在每一层上独立控制，实现了在不同波长下不同的光学功能（例如聚焦、偏转）。
• 通过仿真与对非局域响应基本原理的理论分析，证实该设计可扩展至可见光波段。