Modelagem de frente de onda 2D com o MEMS-OMS. (A) Esquema da reflexão de luz semelhante a um espelho pelo MEMS-OMS antes da atuação, ou seja, com a lacuna inicial de ~ 350 nm entre as matrizes de nanobrick OMS e o espelho MEMS. A luz incidente é refletida especularmente pelo MEMS-OMS, independentemente do design do OMS. (B e C) Esquema das funcionalidades demonstradas, (B) reflexão anômala e (C) focagem (dependendo do projeto OMS), ativado trazendo o espelho MEMS perto da superfície OMS, ou seja, diminuindo o entreferro para ~ 20 nm. Crédito: Avanços da Ciência , 10.1126 / sciadv.abg5639
Metassuperfícies ópticas podem regular sem precedentes frentes de onda versáteis na escala de sub comprimento de onda. A maioria das metassuperfícies ópticas bem estabelecidas são, Contudo, Respostas ópticas estáticas e de recurso bem definidas que são determinadas por configurações de metassuperfície óptica definidas durante seu desenvolvimento. As configurações dinâmicas dos materiais investigados até agora muitas vezes mostram limitações específicas e reconfigurabilidade reduzida. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Chao Meng e uma equipe de pesquisa em nanotecnologia, nano-ótica, e eletrônicos na Dinamarca, Noruega e China, combinou um sistema micromecânico piezoelétrico de filme fino (MEMS) com uma metassuperfície óptica baseada em plasmon de superfície de lacuna (OMS). Usando a configuração, eles desenvolveram um motor elétrico, plataforma de metassuperfície óptica de sistema microeletromecânico dinâmico para regular fases ao lado de modulações de amplitude da luz refletida por meio do acionamento fino do espelho MEMS. Usando esta plataforma, eles mostraram como os componentes proporcionavam direcionamento de feixe independente de polarização e foco bidimensional com alta eficiência de modulação e respostas rápidas. A plataforma oferece soluções flexíveis para realizar dinâmicas complexas de regulamentações de frente de onda 2D com aplicativos em redes e sistemas ópticos reconfiguráveis e adaptáveis.
Metassuperfícies ópticas
Metassuperfícies ópticas normalmente representam matrizes planas densas de subcomprimento de onda de elementos nanoestruturados também conhecidos como metaátomos que são projetados para oferecer campos ópticos dispersos e regulação de fase local. Numerosas aplicações no passado demonstraram modelagem de frente de onda em espaço livre, transformações de polarização versáteis, geração de vórtice óptico e holografia óptica. Para sistemas mais inteligentes e adaptáveis, incluindo detecção e alcance de luz (LIDAR), bem como rastreamento óptico de espaço livre e comunicações, ou exibição dinâmica e holografia, é altamente desejável desenvolver metassuperfícies ópticas com funcionalidades reconfiguráveis. Nesse trabalho, Chao Meng e uma equipe de cientistas combinaram um MEMS piezoelétrico de filme fino (sistema micromecânico) com a metassuperfície óptica baseada em plasmon de superfície de lacuna (OMS) para desenvolver uma plataforma dinâmica de MEMS-OMS eletricamente acionada. Na ideia principal, eles facilitaram a metassuperfície óptica à base de plasmon de superfície de lacuna convencional para formar um refletor traseiro móvel. Os cientistas projetaram e desenvolveram os espelhos OMS e MEMS para discernir os caminhos de processamento e, em seguida, combiná-los para garantir a liberdade de design em ambos os lados com complexidade reduzida durante o desenvolvimento. O trabalho ofereceu uma plataforma MEMS-OMS continuamente ajustável e reconfigurável com dimensões ultracompactas e baixo consumo de energia.
Direção do feixe dinâmica independente da polarização:Design. (A) Esquema da célula unitária OMS, incluindo o entreferro e o espelho de ouro. (B) O coeficiente de reflexão complexo r calculado como uma função do comprimento do lado nanobrick Lx e entreferro ta com outros parâmetros sendo os seguintes:λ =800 nm, tm =50 nm, Λ =250 nm, e Ly =Lx. A coloração está relacionada à amplitude de reflexão, enquanto as linhas magenta representam contornos de fase de reflexão constante. (C) Dependências de fase de reflexão (linhas tracejadas) e amplitude (linhas sólidas) no comprimento nanobrick Lx para duas lacunas de ar extremas:ta =20 nm (vermelho) e 350 nm (azul). Os círculos representam os tamanhos de nanobrick selecionados para a supercélula OMS projetada para direcionamento de feixe dinâmico. (D) Vista superior e (E) seção transversal da supercélula MEMS-OMS projetada. (F e G) Distribuições do campo elétrico TM refletido (componente x) no comprimento de onda de 800 nm para lacunas de ar de ta =20 e 350 nm, respectivamente. (H) Eficiências de difração de ordens diferentes (| m | ≤ 1) calculadas como uma função do entreferro ta para luz incidente TM / TE com comprimento de onda de 800 nm. (I) Eficiências de difração de diferentes ordens (| m | ≤ 1) calculadas no entreferro ta =20 nm como uma função do comprimento de onda para a luz incidente TM / TE. Crédito: Avanços da Ciência , 10.1126 / sciadv.abg5639
Usando esta plataforma, Meng et al. experimentalmente mostrou direção de feixe independente de polarização dinâmica e focalização 2D reflexiva. Eles acionaram eletricamente o espelho MEMS para regular a distância MEMS-CMS, e mostraram respostas dinâmicas independentes de polarização com grandes eficiências de modulação. O dispositivo funcionou em um comprimento de onda de 800 nm com uma eficiência de direcionamento de feixe atingindo 40 a 46 por cento para polarizações magnéticas transversais (TM) e elétricas transversais (TE). O dispositivo proposto mantinha uma estrutura metal-isolante-metal composta por uma espessa camada de ouro colocada sobre um substrato de silício para formar o espelho dos sistemas microeletromecânicos, enquanto matrizes 2D de nanobricks de ouro em um substrato de vidro formaram a estrutura de metassuperfície óptica (OMS). Os cientistas facilitaram o comprimento de onda funcional proposto no dispositivo e observaram a transformação da resposta da fase de reflexão para indicar uma abordagem simples e direta para realizar um chip MEMS-OMS.
Projetando as condições experimentais
Montagem MEMS-OMS. (A) Foto típica do conjunto MEMS-OMS que consiste no OMS padronizado em um substrato de vidro, um espelho MEMS de película fina ultrafina, e uma placa de circuito impresso (PCB) para conexão elétrica. (B) Microscopia óptica e (C) imagens SEM do OMS representando a matriz de 30 μm por 30 μm e período de 250 nm de nanobricks de ouro de tamanhos diferentes projetados para direcionamento de feixe dinâmico, fabricado sobre um pedestal de 10 μm de altura no substrato de vidro, e usado na montagem MEMS-OMS. Crédito da foto:Chao Meng, Universidade do Sul da Dinamarca. Crédito: Avanços da Ciência , 10.1126 / sciadv.abg5639
Direcionamento do feixe dinâmico independente da polarização:Caracterização. (A) Imagens ópticas nos planos de objeto direto (DI) e imagem de Fourier (FI) da luz refletida de MEMS-OMS sob tensões de atuação de Va1 =0,00 V (topo) e Va2 =3,75 V (meio) para TM / TE luz normalmente incidente com comprimento de onda de 800 nm. A luz refletida do substrato não estruturado (parte inferior) no dispositivo MEMS-OMS também é registrada como uma referência. (B) Eficiências de difração de diferentes ordens (| m | ≤ 1) medidas como uma função da tensão de atuação para luz incidente TM / TE com comprimento de onda de 800 nm. (C) Eficiências de difração de diferentes ordens (| m | ≤ 1) medidas como uma função do comprimento de onda para a luz incidente TM / TE. (D) Tempo de resposta das diferentes ordens de difração (m =0 / + 1) medido pelo acionamento do espelho MEMS com um sinal retângulo periódico. Crédito: Avanços da Ciência , 10.1126 / sciadv.abg5639
Focalização 2D dinâmica independente da polarização:Caracterização. (A) Eficiências de foco medidas em função da tensão de atuação para luz incidente TM / TE com comprimento de onda de 800 nm. A inserção superior esquerda é uma imagem SEM típica do OMS representando 14 μm de diâmetro e 250 nm de período de matriz de nanobricks de ouro de tamanhos diferentes projetados para focagem 2D dinâmica. Barra de escala, 2 μm. A inserção inferior direita ilustra o método de medição em que o feixe incidente é focado no plano A (plano focal da objetiva) e colidindo com o substrato não estruturado ou área OMS do MEMS-OMS no plano B (distância 2f do foco plano da objetiva), resultando em respectivos campos refletidos divergentes ou focalizados. (B) Imagens ópticas da luz refletida do substrato não estruturado e área OMS do MEMS-OMS posicionada no plano B com tensões de atuação de Vb1 =10,00 V e Vb2 =14,50 V para luz incidente TM / TE em comprimento de onda de 800 nm. A luz refletida do substrato não estruturado e da área OMS do MEMS-OMS posicionada no plano A também foi registrada como uma referência. Crédito: Avanços da Ciência , 10.1126 / sciadv.abg5639
A equipe então projetou uma plataforma MEMS-OMS para realizar o direcionamento dinâmico do feixe independente da polarização usando uma microlente óptica projetada separadamente e um espelho MEMS ultrarrápido em uma placa de circuito impresso. O método simplificou o processo de desenvolvimento, e eles caracterizaram os componentes individuais da configuração experimental usando um microscópio óptico e um microscópio eletrônico de varredura. Seguindo o design e fabricação da configuração, Meng et al. estimou a menor lacuna alcançável entre o espelho MEMS e a superfície do substrato OMS usando interferometria de múltiplos comprimentos de onda. O valor era tão pequeno quanto 100 nm, e os cientistas caracterizaram o desempenho da plataforma MEMS-OMS usando um laser óptico e ajustável com comprimento de onda, polarização e componentes de imagem. O espelho de filme fino sobreviveu a mais de 10 11 ciclos para condições operacionais padrão para realizar a óptica, sensoriamento capacitivo e piezoresistivo, o dispositivo MEMS também pode manter uma frequência de ressonância sem instabilidade. Para entender os mecanismos de foco dinâmico por trás do dispositivo MEMS-OMS, Meng et al. atuou eletricamente o espelho e observou as respostas ópticas correspondentes no plano do objeto direto e verificou o efeito de focagem usando um feixe incidente focado.
Panorama
Desta maneira, Chao Meng e seus colegas desenvolveram uma plataforma dinâmica de MEMS-OMS eletricamente acionada que combinava um espelho MEMS piezoelétrico de filme fino com metassuperfícies ópticas. A plataforma ofereceu fase regulada e modulação de amplitude da luz refletida por meio do acionamento fino do espelho MEMS. Os cientistas projetaram e mostraram os dispositivos MEMS-OMS que funcionam na faixa de comprimento de onda do infravermelho próximo para observar a função rápida e eficiente. A configuração experimental pode ser melhorada contornando o requisito de reduzir a lacuna entre o espelho MEMS e a superfície OMS. Usando o dispositivo desenvolvido neste trabalho, Meng et al. percebeu diversas funcionalidades e desempenho reconfigurável dinâmico para abrir perspectivas fascinantes e obter alto desempenho, dispositivos controlados dinamicamente com potenciais aplicações futuras em sistemas ópticos reconfiguráveis e adaptáveis.
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