Metasurfaces são metamateriais opticamente finos que podem controlar a frente de onda da luz completamente, embora sejam usados ​​principalmente para controlar a fase da luz. Em um novo relatório, Adam C. Overvig e colegas dos departamentos de Física Aplicada e Matemática Aplicada da Universidade de Columbia e do Centro de Nanomateriais Funcionais do Laboratório Nacional de Brookhaven em Nova York, NÓS., apresentou uma nova abordagem de estudo, agora publicado em Light:Ciência e Aplicações . O conceito simples usava metaátomos com um grau variável de birrefringência de forma e ângulos de rotação para criar metassuperfícies dielétricas de alta eficiência com capacidade de controlar a amplitude óptica (extensão máxima de uma vibração) e fase em uma ou duas frequências. O trabalho abriu aplicativos em holografia gerada por computador para reproduzir fielmente a fase e a amplitude de uma cena holográfica alvo sem usar algoritmos iterativos que são normalmente necessários durante a holografia apenas de fase.

A equipe demonstrou hologramas de metassuperfície totalmente dielétricos com controle completo e independente da amplitude e fase. Eles usaram duas frequências ópticas simultâneas para gerar hologramas bidimensionais (2-D) e 3-D no estudo. As metassuperfícies de amplitude de fase permitiam recursos adicionais que não poderiam ser obtidos com a holografia somente de fase. Os recursos incluem hologramas 2-D sem artefatos, a capacidade de codificar perfis de fase e amplitude separados no plano do objeto e de codificar perfis de intensidade na metassuperfície e nos planos do objeto separadamente. Usando o método, os cientistas também controlaram as texturas de superfície de objetos holográficos 3-D.

As ondas de luz possuem quatro propriedades principais, incluindo amplitude, Estágio, polarização e impedância óptica. Cientistas de materiais usam metamateriais ou "metassuperfícies" para sintonizar essas propriedades em frequências específicas com sub comprimento de onda, resolução espacial. Os pesquisadores também podem projetar estruturas individuais ou "metaátomos" para facilitar uma variedade de funcionalidades ópticas. A funcionalidade do dispositivo é atualmente limitada pela capacidade de controlar e integrar todas as quatro propriedades da luz de forma independente no laboratório. Os contratempos incluem desafios de desenvolver meta-átomos individuais com respostas variadas em uma frequência desejada com um único protocolo de fabricação. Os estudos de pesquisa usaram dispersores metálicos devido às suas fortes interações luz-matéria para eliminar as perdas óticas inerentes em relação aos metais, enquanto usam plataformas dielétricas sem perdas para controle de fase de alta eficiência - a propriedade mais importante para o controle de frente de onda. Esforços recentes adicionais tentaram controlar simultaneamente mais de um parâmetro por vez e formar metassuperfícies acromáticas, dispositivos de engenharia de dispersão e hologramas multicoloridos.

No presente trabalho, Overvig et al. apresentou uma plataforma metassuperfície com controle arbitrário e simultâneo da amplitude e da fase usando frequências de telecomunicação dentro de um dispositivo do tipo transmissão. Eles controlaram a amplitude variando a eficiência de conversão da luz circularmente polarizada de uma mão para a mão oposta (da esquerda para a direita) usando estruturalmente birrefringente (um raio de luz incidente em um material é dividido em dois como raios ordinários e extraordinários) meta- átomos, enquanto controla a fase através da orientação no plano dos meta-átomos. A abordagem generalizou uma plataforma de metassuperfície bem estudada que empregou a fase "geométrica" ​​ou "Pancharatnam-Berry" para o controle simultâneo de amplitude e fase.

A abordagem poderia ser facilmente generalizada para frequências visíveis dentro de metassuperfícies dielétricas compatíveis com CMOS. Para demonstrar as vantagens do experimento, eles compararam hologramas gerados por computador com metassuperfícies de fase e amplitude (PA) e hologramas gerados com metassuperfícies somente de fase (PO) para mostrar que apenas as construções de PA poderiam criar imagens holográficas livres de artefato. Overvig et al. implementou holografia PA para projetar hologramas de metassuperfície com alta fidelidade para formar formas artísticas e complexas, objetos holográficos tridimensionais (3-D). Eles criaram e otimizaram metassuperfícies com dois graus de liberdade por pixel para controlar a amplitude e a fase no plano do objeto. A equipe de pesquisa estendeu o esquema simples para incluir a engenharia de dispersão estrutural de meta-átomos e, simultaneamente, controlar a fase e a amplitude de hologramas de duas cores.

Os pesquisadores há muito tempo empregam a abordagem da fase geométrica para variar espacialmente a fase da luz em um processo que pode ser implementado tecnicamente simplesmente alterando a orientação de um material birrefringente. Nesse trabalho, a equipe variou experimentalmente o grau de birrefringência de luz polarizada circularmente esquerda (LCP) para luz polarizada circularmente direita (RCP) para controlar de forma independente a amplitude óptica e fase. Eles também criaram uma biblioteca de meta-átomos e visualizaram a ação realizada por meio de caminhos ao longo de uma esfera de Poincaré. Como uma implementação de prova de conceito, os pesquisadores escolheram um comprimento de onda operacional de 1,55 µm e projetaram uma plataforma compatível com CMOS de metassuperfícies de silício amorfo (α-Si) em substratos de sílica fundida. Eles então modelaram a biblioteca meta-átomo alvo usando simulações no domínio do tempo de diferenças finitas e demonstraram numericamente o controle arbitrário da amplitude e da fase.

Para controle experimental completo da amplitude e fase, Overvig et al. implementou hologramas gerados por computador (CGHs). O primeiro CGH gerou uma imagem holográfica bidimensional (2-D) usando holografia PA com fidelidade de imagem aprimorada em comparação com as versões formadas com holografia PO. No segundo CGH, eles criaram um simples, Imagem holográfica 3-D contendo uma coleção de pontos para mostrar a dependência da holografia 3-D no plano focal e no ângulo de observação. O terceiro CGH demonstrou a reconstrução fiel de um objeto holográfico 3-D complexo na forma de uma vaca - isso indicou a habilidade de projetar cenas complexas e artisticamente interessantes. A equipe simulou texturas de superfície ásperas ou lisas usando uma distribuição aleatória ou uniforme de fase espalhada na superfície de uma vaca. A quarta versão mostrou capacidade de codificar separadamente a fase e a amplitude no plano do objeto para reconstruir um sinal Yin-Yang, enquanto o quinto CGH codificou uma imagem holográfica com a distribuição de fase de um holograma em tons de cinza da coroa de Columbia, o emblema oficial da Columbia Engineering, Universidade Columbia.

Durante a reconstrução do logotipo da Columbia Engineering para gerar um CGH 2-D, a equipe discretizou uma imagem alvo em fontes dipolo com amplitudes de um (área dentro do logotipo) e zero (o fundo) e uma fase uniforme. Eles registraram a interferência dessas fontes dipolo da imagem alvo a uma distância específica (750 μm), que correspondia à localização da metassuperfície para reconstruir a imagem alvo. Ao reconstruir o segundo holograma PO da coroa de Columbia, Overvig et al. usou uma abordagem alternativa conhecida como algoritmo Gerchberg-Saxton (GS) para gerar a distribuição de intensidade desejada da imagem alvo. Eles não exigiam iterações semelhantes com holografia PA, o que lhes permitiu reproduzir fielmente a fase e a amplitude do holograma desejado. Os pesquisadores reconstruíram cada imagem holográfica usando simulações numéricas e experimentos e observaram uma melhoria na qualidade da imagem no holograma PA em comparação com os hologramas PO ou GS.

A holografia PA também permitiu aos cientistas controlar os perfis de amplitude de dois planos separados, em vez da amplitude e fase em um único plano. Eles produziram imagens holográficas e mostraram boa concordância entre reconstruções experimentais e simulações. Os cientistas ampliaram a abordagem simples para controlar a fase e a amplitude de forma independente em dois comprimentos de onda separados. Em que eles controlaram simultaneamente quatro parâmetros de frente de onda em cada meta-átomo, que experimentalmente exigia mais de dois graus de liberdade. A equipe estendeu os esforços anteriores para incluir a birrefringência durante o projeto do meta-átomo para controlar de forma expansiva a resposta de fase das polarizações ordinárias e extraordinárias (birrefringência) dos dois comprimentos de onda.

Depois de usarem micrografias eletrônicas de varredura para observar os dispositivos fabricados, eles adquiriram reconstruções experimentais de duas cores alinhando a excitação LCP em um comprimento de onda de 1,65 µm (canal vermelho) e uma excitação RCP em um comprimento de onda de 0,94 µm (canal azul). O número de meta-átomos que exigiu simulação aproximou-se de 60, 000 no estudo, o que representava uma tarefa computacional assustadora para uma precisão maior do que a alcançada atualmente. Overvig et al. portanto, restringiu o estudo à presente solução imperfeita, mas gerenciável computacionalmente.

Desta maneira, Adam C. Overvig e uma equipe de pesquisa interdisciplinar demonstraram hologramas de metassuperfície usando metassuperfícies dielétricas de baixa perda. Eles operaram os construtos no modo de transmissão com fase completa e independente e controle de amplitude em um e dois comprimentos de onda, empregando um princípio de design simples, mas poderoso, para abrir um grau de controle em comprimentos de onda ópticos úteis para muitas aplicações. O trabalho oferece um método robusto e amplamente aplicável para manipular uma frente de onda óptica à vontade e, assim, realizar a promessa primária das metassuperfícies.

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