[论文解读] Resonant Wavefront-Shaping Flat Optics

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

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 37被引用 4

一句话总结

本文展示了通过利用具有空间变化几何相位的准束缚态在连续谱（quasi-BIC）实现光的时空与光谱同时调控的介质超表面，实现了窄带聚焦，同时不影响非共振频率。该方法可实现级联的高光谱波前整形，适用于增强现实与光通信应用。

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 meta-units support high quality-factor resonances. We experimentally demonstrate dielectric metasurfaces that offer both spatial and spectral control of light, realizing a metalens focusing light only over a narrowband resonance while leaving off-resonant frequencies unaffected. Our devices realize such functionality by supporting a quasi-bound state in the continuum encoded with a spatially varying geometric phase. We also show that our resonant metasurfaces can be cascaded to realize hyperspectral wavefront shaping, which may prove useful for augmented reality glasses, transparent displays and high-capacity optical communications.

研究动机与目标

• 克服传统光子器件在波前调控中缺乏时空与光谱同时控制能力的局限性。
• 设计一种支持局域模响应与高品质因子共振的超表面，以增强光谱选择性。
• 将空间变化的几何相位与准束缚态在连续谱结合，实现共振窄带波前整形。
• 展示超表面的级联性，以实现在先进光学系统中的高光谱波前整形。

提出的方法

• 通过介质纳米结构设计超表面，以支持具有高Q因子的准束缚态在连续谱（quasi-BIC）。
• 在元单元上编码空间变化的几何相位，以在共振频率下独立调控波前。
• 利用非局域晶格模式实现锐利的光谱响应，同时通过相位工程保持完全的空间控制。
• 采用电子束光刻工艺制造超表面，并通过近场与远场光学测量进行表征。
• 设计级联超表面，通过调节各独立共振实现多波长波前整形。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个超表面能否同时实现高光谱选择性与完整的空间波前控制？
• RQ2 准-BIC与空间变化几何相位的结合如何实现共振波前整形？
• RQ3 共振超表面在多大程度上可实现级联，以实现高光谱波前调控？
• RQ4 窄带聚焦功能的光谱带宽与效率如何？

主要发现

• 超表面在共振频率下实现窄带聚焦，传输损耗极小，而非共振频率则保持不变。
• 准-BIC模式支持高品质因子共振，实现亚纳米级精度的光谱滤波。
• 通过在元单元上编码的几何相位分布实现空间波前整形，实现精确的光束偏转与聚焦。
• 级联超表面展示了高光谱波前整形能力，可独立控制多个光谱通道。