Modelado de frente de onda 2D con MEMS-OMS. (A) Esquema de la reflexión de luz similar a un espejo por el MEMS-OMS antes de la actuación, es decir., con la brecha inicial de ~ 350 nm entre las matrices de nanoladrillos OMS y el espejo MEMS. El MEMS-OMS refleja de forma especular la luz incidente independientemente del diseño del OMS. (B y C) Esquema de funcionalidades demostradas, (B) reflexión anómala y (C) enfoque (según el diseño OMS), activado al acercar el espejo MEMS a la superficie OMS, es decir., disminuyendo el espacio de aire a ~ 20 nm. Crédito: Avances de la ciencia , 10.1126 / sciadv.abg5639
Las metasuperficies ópticas pueden regular sin precedentes frentes de onda versátiles en la escala de sublongitud de onda. La mayoría de las metasuperficies ópticas bien establecidas son, sin embargo, estáticas y cuentan con respuestas ópticas bien definidas que están determinadas por configuraciones ópticas de metasuperficie establecidas durante su desarrollo. Las configuraciones dinámicas de los materiales investigados hasta ahora muestran a menudo limitaciones específicas y una reconfigurabilidad reducida. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Chao Meng y un equipo de investigación en nanotecnología, nanoóptica, y electrónica en Dinamarca, Noruega y China, combinó un sistema micromecánico piezoeléctrico de película delgada (MEMS) con una metasuperficie óptica basada en plasmón de superficie hueca (OMS). Usando la configuración, desarrollaron un motor eléctrico, Plataforma de metasuperficie óptica del sistema microelectromecánico dinámico para regular las fases junto con las modulaciones de amplitud de la luz reflejada mediante la activación fina del espejo MEMS. Usando esta plataforma, demostraron cómo los componentes proporcionaban una dirección del haz independiente de la polarización y un enfoque bidimensional con altas eficiencias de modulación y respuestas rápidas. La plataforma ofrece soluciones flexibles para realizar dinámicas complejas de regulaciones de frente de onda 2D con aplicaciones en redes y sistemas ópticos reconfigurables y adaptables.
Metasuperficies ópticas
Las metasuperficies ópticas típicamente representan matrices planas densas de sub-longitud de onda de elementos nanoestructurados también conocidos como meta-átomos que están diseñados para ofrecer campos ópticos dispersos y regulación de fase local. Numerosas aplicaciones en el pasado han demostrado la conformación de frente de onda en el espacio libre, transformaciones de polarización versátiles, generación de vórtices ópticos y holografía óptica. Para sistemas más inteligentes y adaptables, incluida la detección y el alcance de la luz (LIDAR), así como el seguimiento óptico y las comunicaciones en el espacio libre, o visualización dinámica y holografía, es muy deseable desarrollar metasuperficies ópticas con funcionalidades reconfigurables. En este trabajo, Chao Meng y un equipo de científicos combinaron un MEMS piezoeléctrico de película delgada (sistema micromecánico) con la metasuperficie óptica (OMS) basada en plasmón de superficie hueca para desarrollar una plataforma MEMS-OMS dinámica impulsada eléctricamente. En la idea principal, facilitaron la metasuperficie óptica convencional basada en plasmón de la superficie de separación para formar un reflector trasero móvil. Los científicos diseñaron y desarrollaron los espejos OMS y MEMS para discernir las rutas de procesamiento y luego los combinaron para garantizar la libertad de diseño en ambos lados con una complejidad reducida durante el desarrollo. El trabajo ofreció una plataforma MEMS-OMS continuamente sintonizable y reconfigurable con dimensiones ultracompactas y bajo consumo de energía.
Dirección dinámica del haz independiente de la polarización:diseño. (A) Esquema de la celda unitaria OMS que incluye el espacio de aire y el espejo dorado. (B) El coeficiente de reflexión complejo r calculado en función de la longitud del lado del nanoladrillo Lx y el entrehierro ta con otros parámetros como sigue:λ =800 nm, tm =50 nm, Λ =250 nm, y Ly =Lx. La coloración está relacionada con la amplitud de reflexión, mientras que las líneas magenta representan contornos de fase de reflexión constante. (C) Dependencias de la fase de reflexión (líneas discontinuas) y la amplitud (líneas continuas) de la longitud del nanoladrillo Lx para dos espacios de aire extremos:ta =20 nm (rojo) y 350 nm (azul). Los círculos representan los tamaños de nanoladrillos seleccionados para la supercélula OMS diseñada para la dirección dinámica del haz. (D) Vista superior y (E) sección transversal de la supercélula MEMS-OMS diseñada. (F y G) Distribuciones del campo eléctrico de TM reflejado (componente x) a una longitud de onda de 800 nm para espacios de aire de ta =20 y 350 nm, respectivamente. (H) Eficiencias de difracción de diferentes órdenes (| m | ≤ 1) calculadas como una función del entrehierro ta para la luz incidente TM / TE con una longitud de onda de 800 nm. (I) Eficiencias de difracción de diferentes órdenes (| m | ≤ 1) calculadas en el entrehierro ta =20 nm en función de la longitud de onda de la luz incidente TM / TE. Crédito: Avances de la ciencia , 10.1126 / sciadv.abg5639 
Usando esta plataforma, Meng y col. mostró experimentalmente la dirección dinámica del haz independiente de la polarización y el enfoque 2D reflectante. Accionaron eléctricamente el espejo MEMS para regular la distancia MEMS-CMS, y mostró respuestas dinámicas independientes de la polarización con grandes eficiencias de modulación. El dispositivo funcionó a una longitud de onda de 800 nm con una eficiencia de dirección del haz que alcanzaba del 40 al 46 por ciento para polarizaciones transversales magnéticas (TM) y transversales eléctricas (TE). El dispositivo propuesto mantuvo una estructura de metal-aislante-metal compuesta por una gruesa capa de oro colocada sobre un sustrato de silicio para formar el espejo de los sistemas microelectromecánicos, mientras que las matrices 2D de nanoladrillos de oro sobre un sustrato de vidrio formaron la estructura de metasuperficie óptica (OMS). Los científicos facilitaron la longitud de onda funcional propuesta en el dispositivo y observaron la transformación de la respuesta de la fase de reflexión para indicar un enfoque simple y directo para realizar un chip MEMS-OMS.
Diseñando las condiciones experimentales
Montaje MEMS-OMS. (A) Foto típica del ensamblaje MEMS-OMS que consiste en el OMS estampado en un sustrato de vidrio, un espejo MEMS de película fina ultraplano, y una placa de circuito impreso (PCB) para conexión eléctrica. (B) Imágenes de microscopía óptica y (C) SEM del OMS que representan la matriz de períodos de 30 μm por 30 μm y 250 nm de nanoladrillos de oro de diferentes tamaños diseñados para la dirección dinámica del haz, fabricado sobre un pedestal de 10 μm de altura sobre el sustrato de vidrio, y se utiliza en el ensamblaje MEMS-OMS. Crédito de la foto:Chao Meng, Universidad del Sur de Dinamarca. Crédito: Avances de la ciencia , 10.1126 / sciadv.abg5639
Dirección dinámica del haz independiente de la polarización:Caracterización. (A) Imágenes ópticas en los planos de objeto directo (DI) e imagen de Fourier (FI) de la luz reflejada de MEMS-OMS bajo voltajes de actuación de Va1 =0.00 V (arriba) y Va2 =3.75 V (medio) para TM / TE luz normalmente incidente con una longitud de onda de 800 nm. La luz reflejada del sustrato no estructurado (parte inferior) en el dispositivo MEMS-OMS también se registra como referencia. (B) Eficiencias de difracción de diferentes órdenes (| m | ≤ 1) medidas como una función del voltaje de actuación para la luz incidente TM / TE con una longitud de onda de 800 nm. (C) Eficiencias de difracción de diferentes órdenes (| m | ≤ 1) medidas como una función de la longitud de onda para la luz incidente TM / TE. (D) Tiempo de respuesta de los diferentes órdenes de difracción (m =0 / + 1) medido accionando el espejo MEMS con una señal rectangular periódica. Crédito: Avances de la ciencia , 10.1126 / sciadv.abg5639
Enfoque 2D dinámico independiente de la polarización:Caracterización. (A) Eficiencias de enfoque medidas como una función del voltaje de actuación para la luz incidente TM / TE con una longitud de onda de 800 nm. El recuadro superior izquierdo es una imagen SEM típica del OMS que representa una matriz de 14 μm de diámetro y un período de 250 nm de nanoladrillos de oro de diferentes tamaños diseñados para el enfoque dinámico 2D. Barra de escala, 2 micras. El recuadro inferior derecho ilustra el método de medición en el que el haz incidente se enfoca en el plano A (plano focal del objetivo) e incide en el sustrato no estructurado o área OMS del MEMS-OMS en el plano B (2f de distancia del foco plano del objetivo), resultando en respectivos campos reflejados divergentes o enfocados. (B) Imágenes ópticas de la luz reflejada del sustrato no estructurado y el área OMS del MEMS-OMS colocado en el plano B con voltajes de actuación de Vb1 =10,00 V y Vb2 =14,50 V para luz incidente TM / TE a una longitud de onda de 800 nm. La luz reflejada del sustrato no estructurado y el área OMS del MEMS-OMS colocado en el plano A también se registró como referencia. Crédito: Avances de la ciencia , 10.1126 / sciadv.abg5639
Luego, el equipo diseñó una plataforma MEMS-OMS para realizar una dirección dinámica del haz independiente de la polarización utilizando una microlente óptica diseñada por separado y un espejo MEMS ultrarrápido en una placa de circuito impreso. El método simplificó el proceso de desarrollo, y caracterizaron los componentes individuales de la configuración experimental utilizando un microscopio óptico y un microscopio electrónico de barrido. Siguiendo el diseño y fabricación de la configuración, Meng y col. estimó la brecha más pequeña alcanzable entre el espejo MEMS y la superficie del sustrato OMS utilizando interferometría de longitud de onda múltiple. El valor era tan pequeño como 100 nm, y los científicos caracterizaron el rendimiento de la plataforma MEMS-OMS utilizando un láser sintonizable en longitud de onda y óptico, componentes de polarización e imagen. El espejo de película delgada sobrevivió más de 10 11 ciclos para condiciones operativas estándar para lograr ópticas, detección capacitiva y piezorresistiva, el dispositivo MEMS también podría mantener una frecuencia de resonancia sin inestabilidad. Para comprender los mecanismos de enfoque dinámico detrás del dispositivo MEMS-OMS, Meng y col. accionó eléctricamente el espejo y observó las correspondientes respuestas ópticas en el plano del objeto directo y verificó el efecto de enfoque utilizando un haz incidente enfocado.
panorama
De este modo, Chao Meng y sus colegas desarrollaron una plataforma MEMS-OMS dinámica impulsada eléctricamente que combinaba un espejo MEMS piezoeléctrico de película delgada con metasuperficies ópticas. La plataforma ofrecía modulación de amplitud y fase regulada de la luz reflejada mediante la activación fina del espejo MEMS. Los científicos diseñaron y mostraron los dispositivos MEMS-OMS que funcionan en el rango de longitud de onda del infrarrojo cercano para observar una función rápida y eficiente. La configuración experimental se puede mejorar evitando el requisito de reducir la brecha entre el espejo MEMS y la superficie OMS. Usando el dispositivo desarrollado en este trabajo, Meng y col. realizó diversas funcionalidades y un rendimiento dinámico reconfigurable para abrir perspectivas fascinantes y lograr un alto rendimiento, dispositivos controlados dinámicamente con posibles aplicaciones futuras en sistemas ópticos reconfigurables y adaptables.
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