[论文解读] Nonlocal metasurfaces for spectrally decoupled wavefront manipulation and eye tracking

Jung‐Hwan Song, Jorik van de Groep+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2021

Advanced Optical Imaging Technologies参考文献 79被引用 127

一句话总结

本文提出了一种基于导模共振器（GMR）的高Q值、非局域超表面，其光谱功能相互解耦，可实现可见光无扰传输，并选择性地偏转近红外（NIR）光，用于眼部追踪。通过在原子级厚度的Si光栅层中工程化光谱依赖性吸收，该超表面实现了>90%的可见光透明度、<0.1%的虹彩抑制，以及在870 nm波长下超过10%的衍射效率，从而在智能眼镜中实现紧凑的前向眼部追踪。

ABSTRACT

Metasurface-based optical elements typically manipulate light waves by imparting space-variant changes in the amplitude and phase with a dense array of scattering nanostructures. The highly-localized and low optical-quality-factor (Q) modes of nanostructures are beneficial for wavefront-shaping as they afford quasi-local control over the electromagnetic fields. However, many emerging imaging, sensing, communication, display, and non-linear optics applications instead require flat, high-Q optical elements that provide notable energy storage and a much higher degree of spectral control over the wavefront. Here, we demonstrate high-Q, nonlocal metasurfaces with atomically-thin metasurface elements that offer notably enhanced light-matter interaction and fully-decoupled optical functions at different wavelengths. We illustrate a possible use of such a flat optic in eye tracking for eye-wear. Here, a metasurface patterned on a regular pair of eye-glasses provides an unperturbed view of the world across the visible spectrum and redirects near-infrared light to a camera to allow imaging of the eye.

研究动机与目标

• 开发一种平面、高Q值的光学元件，实现可见光与近红外（NIR）波前调控的光谱解耦，适用于可穿戴AR/VR设备。
• 克服传统超表面中因能带结构导致的波长间光学功能固有耦合的限制。
• 在单层紧凑光学元件中实现高透明度、无虹彩的可见光成像，同时高效偏转NIR光至摄像头用于眼部追踪。
• 设计一种超表面，作为可见光的透明窗口，同时作为NIR光的高效率、窄带偏转器，适用于集成到眼镜框中。

提出的方法

• 采用在Si3N4波导上集成原子级厚度（3–7 nm）多晶硅（pSi）光栅结构的导模共振器（GMR）结构，以实现高光学品质因数（Q）和非局域响应。
• 通过在介质光栅中引入洛伦兹振子，工程化光谱依赖性吸收，以解耦不同波长下的光学功能，实现对可见光与NIR响应的独立调控。
• 使用全场严格耦合波分析（RCWA）仿真模拟并优化多层GMR结构的衍射效率、场增强及光谱响应。
• 设计非对称GMR结构，实现+1阶衍射和-1阶反射，从而实现对NIR光的方向性控制，同时保持宽带可见光传输。
• 堆叠多个高Q值GMR超表面，通过独立调节光栅周期和吸收特性，实现光学功能的波分复用。
• 实现多层GMR堆叠结构，其中每一层选择性地与特定波长（700 nm、705 nm、710 nm）相互作用，通过局部吸收独立控制每一层的功能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在单一、紧凑且透明的光学元件中实现高Q值、非局域的超表面，其光学功能实现光谱解耦？
• RQ2 在原子级厚度的介质光栅层中引入光谱依赖性吸收，能否打破传统GMR和超表面设计中固有的光谱耦合？
• RQ3 该超表面能否在单层结构中同时实现>80%的可见光透明度、<0.1%的虹彩抑制以及>10%的NIR光衍射效率？
• RQ4 该超表面能否在不遮挡用户视野或引入色差伪影的前提下，实现智能眼镜中的前向眼部追踪？
• RQ5 在堆叠式多层GMR超表面架构中，能否独立控制多个光学功能（如不同波长的光束转向）？

主要发现

• 该超表面在可见光谱范围（400–700 nm）内实现>90%的透射率，且光谱畸变极小，可实现对现实世界的无扰视图。
• 虹彩伪影强度被抑制至主峰的0.1%以下，消除了传统衍射光学元件中常见的色散问题。
• 在870 nm波长下，该超表面实现超过10%的+1阶衍射效率，可高效地将NIR光偏转至摄像头用于眼部追踪。
• 通过在介质光栅中引入光谱调谐吸收，实现了光学功能的完全解耦：顶层可选择性地反射710 nm光，同时透射705 nm和700 nm光。
• 在堆叠式GMR设计中，每一层选择性地与目标波长（710 nm、705 nm、700 nm）相互作用，通过局部吸收独立控制反射与透射光谱。
• 仿真结果证实，在GMR共振频率（870 nm）处，局域电场增强超过10倍，表明存在强光-物质相互作用及高Q模式下的高效能量存储。