IZQUIERDA:Esquema de la configuración óptica para la reconstrucción óptica de escenas holográficas en varios ángulos de observación. Las partes del sistema de jaula se omiten para mayor claridad esquemática, pero sirven para mantener constante la condición de colimación de la luz incidente en la metasuperficie para diferentes ángulos de giro. θ. DERECHA:Dos grados de libertad permiten un control independiente y completo de la amplitud y fase ópticas. (a) Esquema del experimento holográfico:la luz polarizada circularmente es convertida parcialmente por la metasuperficie a su lado opuesto y luego es filtrada por un filtro de polarización de análisis antes de formar una imagen en la cámara. (b) Los parámetros geométricos de los metaátomos barren la amplitud (eje de gradiente blanco-negro) y la fase (eje del arco iris) de la señal de salida. (c) Los metaátomos en (b) pueden llevar la luz incidente polarizada circularmente a la izquierda (polo sur) a cualquier otro punto de la esfera de Poincaré con una eficiencia cercana a la unidad que representa dos grados independientes de libertad controlados por la metasuperficie. (d) Parámetros geométricos de un metaátomo. (e) Simulaciones de onda completa que varían Wy y α para H =800 nm, Wx =200 nm, P =650 nm, y λ =1,55 µm. El mapa de colores muestra la amplitud, A, de luz convertida por la saturación y la fase, ϕ, por el tono. (f) “Tabla de búsqueda” que invierte una versión interpolada de (e) para especificar los valores de Wy (saturación) y α (tono) requeridos para lograr un A y ϕ deseados. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0201-7
Las metamateriales ópticamente delgadas son metamateriales que pueden controlar el frente de onda de la luz por completo, aunque se utilizan principalmente para controlar la fase de la luz. En un nuevo informe, Adam C. Overvig y sus colegas en los departamentos de Física Aplicada y Matemáticas Aplicadas de la Universidad de Columbia y el Centro de Nanomateriales Funcionales del Laboratorio Nacional de Brookhaven en Nueva York, NOSOTROS., presentó un enfoque de estudio novedoso, ahora publicado en Luz:ciencia y aplicaciones . El concepto simple utilizó metaátomos con un grado variable de birrefringencia de forma y ángulos de rotación para crear metasuperficies dieléctricas de alta eficiencia con capacidad para controlar la amplitud óptica (grado máximo de vibración) y la fase en una o dos frecuencias. El trabajo abrió aplicaciones en holografía generada por computadora para reproducir fielmente la fase y amplitud de una escena holográfica objetivo sin usar algoritmos iterativos que generalmente se requieren durante la holografía de solo fase.
El equipo demostró hologramas de metasuperficie totalmente dieléctricos con control independiente y completo de la amplitud y la fase. Utilizaron dos frecuencias ópticas simultáneas para generar hologramas bidimensionales (2-D) y 3-D en el estudio. Las metasuperficies de amplitud de fase permitieron características adicionales que no podrían lograrse con la holografía de solo fase. Las características incluían hologramas 2D sin artefactos, la capacidad de codificar perfiles separados de fase y amplitud en el plano del objeto y codificar perfiles de intensidad en la metasuperficie y los planos del objeto por separado. Usando el método, los científicos también controlaron las texturas superficiales de los objetos holográficos tridimensionales.
Las ondas de luz poseen cuatro propiedades clave que incluyen amplitud, fase, polarización e impedancia óptica. Los científicos de materiales usan metamateriales o "metasuperficies" para sintonizar estas propiedades en frecuencias específicas con sublongitud de onda, resolucion espacial. Los investigadores también pueden diseñar estructuras individuales o "metaátomos" para facilitar una variedad de funcionalidades ópticas. La funcionalidad del dispositivo está actualmente limitada por la capacidad de controlar e integrar las cuatro propiedades de la luz de forma independiente en el laboratorio. Los contratiempos incluyen los desafíos de desarrollar metaátomos individuales con respuestas variables a una frecuencia deseada con un solo protocolo de fabricación. Los estudios de investigación utilizaron anteriormente dispersores metálicos debido a sus fuertes interacciones luz-materia para eliminar las pérdidas ópticas inherentes en relación con los metales mientras se usaban plataformas dieléctricas sin pérdidas para un control de fase de alta eficiencia, la propiedad más importante para el control del frente de onda. Esfuerzos recientes adicionales han intentado controlar simultáneamente más de un parámetro a la vez y formar metasuperficies acromáticas, dispositivos diseñados por dispersión y hologramas multicolores.
IZQUIERDA:Comparación experimental de amplitud de fase (PA, fila superior), solo fase (PO, fila del medio), y Gerchberg-Saxton (GS, fila inferior) holografía. (a – c) La amplitud y fase requeridas en cada metasuperficie, donde la saturación de la imagen corresponde a la amplitud y el tono corresponde a la fase. (d – f) Imágenes ópticas de hologramas fabricados. Las barras de escala son 150 µm. (g – i) Reconstrucciones holográficas simuladas. (j – l) Reconstrucciones holográficas experimentales, con recuentos mostrados para comparación. DERECHA:Demostración experimental de profundidad y paralaje en un objeto holográfico 3D. (a) Función de transmisión compleja, τ, de una bobina 3D que tiene un tamaño de 400 × 400 μm. (b) Reconstrucción experimental de la bobina a tres profundidades, mostrando la naturaleza 3D de la bobina. Las posiciones aproximadas del plano focal con respecto al plano de la metasuperficie y las fuentes puntuales que representan la bobina se muestran como referencia. Tenga en cuenta que los planos focales están inclinados aproximadamente 15 ° con respecto a la metasuperficie para reducir los reflejos posteriores espurios que estaban presentes. (c) Reconstrucción de la bobina en diferentes ángulos de observación con planos focales aproximados como referencia, demostrando paralaje. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0201-7
En el presente trabajo, Overvig y col. presentó una plataforma de metasuperficie con control arbitrario y simultáneo de la amplitud y fase utilizando frecuencias de telecomunicaciones dentro de un dispositivo de tipo transmisión. Controlaron la amplitud variando la eficiencia de conversión de la luz polarizada circularmente de una mano a la mano opuesta (de izquierda a derecha) usando meta- átomos, mientras se controla la fase a través de la orientación en el plano de los metaátomos. El enfoque generalizó una plataforma de meta-superficie bien estudiada que empleaba la fase "geométrica" o "Pancharatnam-Berry" para el control simultáneo de amplitud y fase.
El enfoque podría generalizarse fácilmente a frecuencias visibles dentro de metasuperficies dieléctricas compatibles con CMOS. Para demostrar las ventajas del experimento, compararon hologramas generados por computadora con metasuperficies de fase y amplitud (PA) y hologramas generados con metasuperficies de solo fase (PO) para mostrar que solo las construcciones de PA podían crear imágenes holográficas libres de artefactos. Overvig y col. implementó la holografía PA para diseñar hologramas de metasuperficie con alta fidelidad para formar artísticos y complejos, objetos holográficos tridimensionales (3-D). Crearon y optimizaron metasuperficies con dos grados de libertad por píxel para controlar la amplitud y la fase en el plano del objeto. El equipo de investigación extendió el esquema simple para incluir ingeniería de dispersión estructural de metaátomos y controlar simultáneamente la fase y amplitud de hologramas de dos colores.
ARRIBA:Objetos holográficos 3D generados por computadora con texturas superficiales controladas. (a) Esquema que representa el cálculo de la función de transmisión compleja, τ, de un holograma de metasuperficie para generar un objeto holográfico 3D complejo (una vaca). Un rayo de luz es dispersado por la malla de la vaca y sufre interferencia en el plano de la metasuperficie. (b) τ para la vaca con una textura de superficie rugosa en el ángulo de visión mostrado en (e) y (f). (c) τ para la vaca con una textura rugosa en el ángulo de visión mostrado en (g). (d) τ para la vaca con una textura suave en el ángulo de visión que se muestra en (h). (e) Reconstrucción simulada de la vaca, mostrando una excelente concordancia con la reconstrucción experimental con un láser de diodo. (gramo, h) Reconstrucciones simuladas desde una perspectiva diferente, mostrando el efecto de las texturas superficiales en la reconstrucción; para la vaca lisa en (h), sólo los reflejos especulares son evidentes. INFERIOR:Controla la amplitud y la fase de las imágenes holográficas simultáneamente. (a, b) Funciones de transmisión complejas, τ, de dos hologramas. (C, d) Amplitudes complejas reconstruidas simuladas, E ~, de un B, produciendo imágenes holográficas con distribuciones de intensidad idénticas pero distribuciones de fase distintas:una tiene un gradiente de fase y la otra tiene una fase uniforme. (mi, f) Reconstrucciones holográficas experimentales correspondientes a a, b en un ángulo de observación de θ =−20 ° desde la normal a la superficie. (gramo, h) Reconstrucciones holográficas experimentales correspondientes a a, b en un ángulo de observación de θ =0 °. La dependencia de los ángulos de observación es una prueba de que las imágenes holográficas tienen gradientes de fase distintos, que corresponden a distintos ángulos de proyección de campo lejano. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0201-7
Los investigadores han empleado durante mucho tiempo el enfoque de la fase geométrica para variar espacialmente la fase de la luz en un proceso que puede implementarse técnicamente simplemente alterando la orientación de un material birrefringente. En este trabajo, el equipo varió experimentalmente el grado de birrefringencia de luz polarizada circularmente izquierda (LCP) a luz polarizada circularmente derecha (RCP) para controlar de forma independiente la amplitud óptica y la fase. También crearon una biblioteca de meta-átomos y visualizaron la acción que realizaba utilizando caminos a lo largo de una esfera de Poincaré. Como implementación de prueba de concepto, los investigadores eligieron una longitud de onda operativa de 1,55 µm y diseñaron una plataforma compatible con CMOS de metasuperficies de silicio amorfo (α-Si) sobre sustratos de sílice fundida. Luego modelaron la biblioteca de meta-átomos objetivo utilizando simulaciones en el dominio del tiempo de diferencia finita y demostraron numéricamente el control arbitrario de la amplitud y la fase.
Para un control experimental completo de la amplitud y la fase, Overvig y col. implementaron hologramas generados por computadora (CGH). El primer CGH generó una imagen holográfica bidimensional (2-D) utilizando holografía PA con una fidelidad de imagen mejorada en comparación con las versiones formadas con holografía PO. En el segundo CGH crearon un sencillo, Imagen holográfica tridimensional que contiene una colección de puntos para mostrar la dependencia de la holografía tridimensional del plano focal y el ángulo de observación. El tercer CGH demostró la fiel reconstrucción de un complejo objeto holográfico tridimensional en forma de vaca, lo que indica la capacidad de diseñar escenas artísticamente interesantes y complejas. El equipo simuló texturas superficiales rugosas o lisas utilizando una distribución aleatoria o uniforme de fase dispersa en la superficie de una vaca. La cuarta versión mostró la capacidad de codificar por separado la fase y la amplitud en el plano del objeto para reconstruir un signo Yin-Yang, mientras que el quinto CGH codificó una imagen holográfica con la distribución de fase de un holograma en escala de grises de la corona de Columbia, el emblema oficial de Columbia Engineering, Universidad de Colombia.
ARRIBA:Dos imágenes codificadas por un algoritmo de Gerchberg-Saxton modificado que permite una amplitud de escala de grises en el plano de la metasuperficie. (a) Esquema que muestra la iluminación de una metasuperficie, con un perfil de amplitud que representa la imagen de una esfera sobre una superficie plana. El perfil de fase de la metasuperficie (no mostrado) codifica un objeto holográfico (logotipo de Columbia Engineering) en el plano del objeto (a 3 mm de distancia). (B, f) Perfiles de intensidad del objetivo (antes del desenfoque) en la metasuperficie y los planos del objeto, respectivamente. (C, g) Perfiles de intensidad y fase codificados en la metasuperficie. (D, h) Reconstrucciones simuladas cuando se enfocan en la metasuperficie y los planos del objeto, respectivamente. (mi, i) Reconstrucciones experimentales cuando se enfocan en la metasuperficie y los planos del objeto, respectivamente. La metasuperficie tiene longitudes laterales de 780 μm, y el logotipo mide ~ 250 μm de ancho. INFERIOR:Control de la amplitud y fase a dos colores simultáneamente. a Arquetipos de secciones transversales de meta-átomos con muchos grados geométricos de libertad (cada uno representado por una flecha de doble cara) cubren degeneradamente el espacio de “dispersión de fase” de la fase de propagación. (b) Visualización de la cobertura de (AR, AB, ϕR, ϕB) por los metaátomos en (a) con contenedores de 10% de amplitud y polarización circular opuesta para cada color. (c) Función de transmisión compleja de un holograma de dos colores para la longitud de onda roja (λRed =1.65μm). (d) Función de transmisión compleja del holograma de dos colores para la longitud de onda azul (λBlue =0.94μm). (e) Micrografía electrónica de barrido (SEM) de un holograma de ejemplo, mostrando muchas instancias de los arquetipos desde un ángulo de orientación variable en el plano. La barra de escala es de 3 μm. (f) SEM con (a) vista en perspectiva de los pilares de 1 μm de altura en (e). La barra de escala es de 2 μm. g Imagen de dos colores de destino. h Reconstrucción experimental superpuesta a las imágenes medidas por separado en la longitud de onda roja que se muestra en iy en la longitud de onda azul que se muestra en (j). Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0201-7
Durante la reconstrucción del logotipo de Columbia Engineering para generar un CGH 2-D, el equipo discretizó una imagen objetivo en fuentes dipolo con amplitudes de uno (área dentro del logotipo) y cero (el fondo) y una fase uniforme. Registraron la interferencia de estas fuentes dipolo desde la imagen objetivo a una distancia específica (750 μm), que correspondía a la ubicación de la metasuperficie para reconstruir la imagen objetivo. Al reconstruir el segundo holograma PO de la corona de Columbia, Overvig y col. utilizó un enfoque alternativo conocido como el algoritmo de Gerchberg-Saxton (GS) para generar la distribución de intensidad deseada de la imagen objetivo. No requirieron iteraciones similares con la holografía PA, lo que les permitió reproducir fielmente tanto la fase como la amplitud del holograma deseado. Los investigadores reconstruyeron cada imagen holográfica utilizando simulaciones numéricas y experimentos y observaron una calidad de imagen mejorada en el holograma PA en comparación con los hologramas PO o GS.
La holografía PA también permitió a los científicos controlar los perfiles de amplitud de dos planos separados en lugar de la amplitud y la fase en un solo plano. Produjeron imágenes holográficas y mostraron una buena concordancia entre las reconstrucciones experimentales y las simulaciones. Los científicos ampliaron el enfoque simple para controlar la fase y la amplitud de forma independiente en dos longitudes de onda separadas. Donde controlaron simultáneamente cuatro parámetros de frente de onda en cada meta-átomo, que experimentalmente requirió más de dos grados de libertad. El equipo amplió los esfuerzos anteriores para incluir la birrefringencia durante el diseño del meta-átomo para controlar de manera expansiva la respuesta de fase de las polarizaciones ordinarias y extraordinarias (birrefringencia) de las dos longitudes de onda.
El video muestra la transformación entre las imágenes reconstruidas a medida que el plano focal de la configuración de imágenes se ajusta entre el holograma y los planos del objeto para formar el objeto de interés. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0201-7
Después de utilizar micrografías electrónicas de barrido para observar los dispositivos fabricados, adquirieron reconstrucciones experimentales de dos colores alineando la excitación LCP a una longitud de onda de 1,65 µm (canal rojo) y una excitación RCP a una longitud de onda de 0,94 µm (canal azul). El número de metaátomos que requirió simulación se aproximó a 60, 000 en el estudio, lo que representó una tarea computacional abrumadora para una precisión superior a la actualmente alcanzada. Overvig y col. por lo tanto, restringió el estudio a la presente solución imperfecta pero computacionalmente manejable.
De este modo, Adam C. Overvig y un equipo de investigación interdisciplinario demostraron hologramas de metasuperficies utilizando metasuperficies dieléctricas de baja pérdida. Operaron las construcciones en modo de transmisión con control de amplitud y fase completo e independiente en una y dos longitudes de onda, empleando un principio de diseño simple pero poderoso para abrir un grado de control a través de longitudes de onda ópticas útil para muchas aplicaciones. El trabajo ofrece un método robusto y de amplia aplicación para manipular un frente de onda óptico a voluntad y así realizar la promesa principal de las metasuperficies.
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