Modellazione del fronte d'onda 2D con MEMS-OMS. (A) Schema della riflessione della luce speculare da parte del MEMS-OMS prima dell'attivazione, cioè., con il divario iniziale di ~350 nm tra gli array di nanobrick OMS e lo specchio MEMS. La luce incidente viene riflessa in modo speculare dal MEMS-OMS indipendentemente dal design dell'OMS. (B e C) Schema delle funzionalità dimostrate, (B) riflessione anomala e (C) messa a fuoco (a seconda del design OMS), attivato avvicinando lo specchio MEMS alla superficie OMS, cioè., diminuendo il traferro a ~20 nm. Credito: Progressi scientifici , 10.1126/sciadv.abg5639
Le metasuperfici ottiche possono regolare senza precedenti fronti d'onda versatili alla scala della lunghezza d'onda inferiore. Le metasuperfici ottiche più consolidate sono, però, statici e presentano risposte ottiche ben definite che sono determinate dalle configurazioni ottiche della metasuperficie impostate durante il loro sviluppo. Le configurazioni dinamiche dei materiali finora studiati mostrano spesso limitazioni specifiche e ridotta riconfigurabilità. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Chao Meng e un gruppo di ricerca in nanotecnologia, nano-ottica, ed elettronica in Danimarca, Norvegia e Cina, combinato un sistema micromeccanico piezoelettrico a film sottile (MEMS) con una metasuperficie ottica (OMS) basata su plasmoni a superficie gap. Usando la configurazione, hanno sviluppato un motore elettrico, sistema microelettromeccanico dinamico-piattaforma metasuperficie ottica per regolare le fasi insieme alle modulazioni di ampiezza della luce riflessa azionando finemente lo specchio MEMS. Utilizzando questa piattaforma, hanno mostrato come i componenti consentissero una guida del raggio indipendente dalla polarizzazione e una messa a fuoco bidimensionale con elevate efficienze di modulazione e risposte rapide. La piattaforma offre soluzioni flessibili per realizzare dinamiche complesse di regolazioni del fronte d'onda 2D con applicazioni in reti e sistemi ottici riconfigurabili e adattivi.
Metasuperfici ottiche
Le metasuperfici ottiche rappresentano tipicamente array planari densi di lunghezze d'onda inferiori a elementi nanostrutturati noti anche come metaatomi, progettati per offrire campi ottici sparsi e regolazione di fase locale. Numerose applicazioni in passato hanno dimostrato la modellazione del fronte d'onda nello spazio libero, trasformazioni di polarizzazione versatili, generazione di vortici ottici e olografia ottica. Per sistemi più intelligenti e adattivi, inclusi il rilevamento e la distanza della luce (LIDAR), nonché il tracciamento e le comunicazioni ottici nello spazio libero, o visualizzazione dinamica e olografia, è altamente desiderabile sviluppare metasuperfici ottiche con funzionalità riconfigurabili. In questo lavoro, Chao Meng e un team di scienziati hanno combinato un MEMS piezoelettrico a film sottile (sistema micromeccanico) con la metasuperficie ottica (OMS) basata su plasmoni a superficie gap per sviluppare una piattaforma MEMS-OMS dinamica azionata elettricamente. Nell'idea principale, hanno facilitato la metasuperficie ottica basata sul plasmone della superficie del gap convenzionale per formare un riflettore posteriore mobile. Gli scienziati hanno progettato e sviluppato gli specchi OMS e MEMS per distinguere i percorsi di elaborazione e poi li hanno combinati per garantire libertà di progettazione su entrambi i lati con una complessità ridotta durante lo sviluppo. Il lavoro ha offerto una piattaforma MEMS-OMS continuamente sintonizzabile e riconfigurabile con dimensioni ultracompatte e basso consumo energetico.
Orientamento dinamico del raggio indipendente dalla polarizzazione:design. (A) Schema della cella unitaria OMS compreso il traferro e lo specchio d'oro. (B) Il coefficiente di riflessione complesso r calcolato in funzione della lunghezza del lato del nanomattone Lx e del traferro ta con altri parametri come segue:λ =800 nm, tm =50 nm, =250 nm, e Ly =Lx. La colorazione è correlata all'ampiezza della riflessione, mentre le linee magenta rappresentano i contorni della fase di riflessione costante. (C) Dipendenze della fase di riflessione (linee tratteggiate) e dell'ampiezza (linee continue) dalla lunghezza del nanomattone Lx per due traferri estremi:ta =20 nm (rosso) e 350 nm (blu). I cerchi rappresentano le dimensioni dei nanomattoni selezionati per la supercella OMS progettata per lo sterzo dinamico del raggio. (D) Vista dall'alto e (E) sezione trasversale della supercella MEMS-OMS progettata. (F e G) Distribuzioni del campo elettrico TM riflesso (componente x) alla lunghezza d'onda di 800 nm per traferri di ta =20 e 350 nm, rispettivamente. (H) Efficienze di diffrazione di diverso ordine (|m| ≤ 1) calcolate in funzione del traferro ta per luce incidente TM/TE con lunghezza d'onda di 800 nm. (I) Efficienze di diffrazione di diverso ordine (|m| ≤ 1) calcolate al traferro ta =20 nm in funzione della lunghezza d'onda per la luce incidente TM/TE. Credito: Progressi scientifici , 10.1126/sciadv.abg5639 
Utilizzando questa piattaforma, Meng et al. ha mostrato sperimentalmente lo sterzo dinamico del raggio indipendente dalla polarizzazione e la messa a fuoco 2D riflettente. Hanno azionato elettricamente lo specchio MEMS per regolare la distanza MEMS-CMS, e ha mostrato risposte dinamiche indipendenti dalla polarizzazione con grandi efficienze di modulazione. Il dispositivo funzionava a una lunghezza d'onda di 800 nm con un'efficienza di orientamento del raggio che raggiungeva dal 40 al 46 percento per le polarizzazioni magnetiche trasversali (TM) ed elettriche trasversali (TE). Il dispositivo proposto ha mantenuto una struttura metallo-isolante-metallo composta da uno spesso strato d'oro posto sopra un substrato di silicio per formare lo specchio dei sistemi microelettromeccanici, mentre array 2D di nanomattoni d'oro su un substrato di vetro hanno formato la struttura della metasuperficie ottica (OMS). Gli scienziati hanno facilitato la lunghezza d'onda funzionale proposta nel dispositivo e hanno osservato la trasformazione della risposta della fase di riflessione per indicare un approccio semplice e diretto per realizzare un chip MEMS-OMS.
Progettare le condizioni sperimentali
Assemblaggio MEMS-OMS. (A) Foto tipica dell'assieme MEMS-OMS costituito dall'OMS modellato su un substrato di vetro, uno specchio MEMS a film sottile ultrapiatto, e un circuito stampato (PCB) per il collegamento elettrico. (B) Microscopia ottica e (C) Immagini SEM dell'OMS che rappresentano l'array di periodo 30 μm per 30 μm e 250 nm di nanomattoni d'oro di diverse dimensioni progettati per lo sterzo dinamico del raggio, fabbricato in cima a un piedistallo di 10 μm di altezza sul substrato di vetro, e utilizzato nell'assieme MEMS-OMS. Credito fotografico:Chao Meng, Università della Danimarca meridionale. Credito: Progressi scientifici , 10.1126/sciadv.abg5639
Orientamento dinamico del raggio indipendente dalla polarizzazione:caratterizzazione. (A) Immagini ottiche sui piani dell'oggetto diretto (DI) e dell'immagine di Fourier (FI) della luce riflessa da MEMS-OMS con tensioni di attuazione di Va1 =0,00 V (in alto) e Va2 =3,75 V (in mezzo) per TM/TE luce normalmente incidente con lunghezza d'onda di 800 nm. Anche la luce riflessa dal substrato non strutturato (in basso) nel dispositivo MEMS-OMS viene registrata come riferimento. (B) Efficienze di diffrazione di diversi ordini (|m| ≤ 1) misurate in funzione della tensione di attuazione per luce incidente TM/TE con lunghezza d'onda di 800 nm. (C) Efficienze di diffrazione di diversi ordini (|m| ≤ 1) misurate in funzione della lunghezza d'onda per la luce incidente TM/TE. (D) Tempo di risposta dei diversi ordini di diffrazione (m =0/+1) misurato azionando lo specchio MEMS con un segnale di rettangolo periodico. Credito: Progressi scientifici , 10.1126/sciadv.abg5639
Messa a fuoco dinamica 2D indipendente dalla polarizzazione:caratterizzazione. (A) Efficienze di messa a fuoco misurate in funzione della tensione di attuazione per la luce incidente TM/TE con lunghezza d'onda di 800 nm. L'inserto in alto a sinistra è una tipica immagine SEM dell'OMS che rappresenta una matrice di 14 μm di diametro e 250 nm di periodo di nanomattoni d'oro di dimensioni diverse progettati per la messa a fuoco dinamica 2D. Barra della scala, 2 micron. Il riquadro in basso a destra illustra il metodo di misurazione in cui il raggio incidente è focalizzato sul piano A (piano focale dell'obiettivo) e colpisce il substrato non strutturato o l'area OMS del MEMS-OMS sul piano B (distanza 2f dalla focale piano dell'obiettivo), risultante in rispettivi campi riflessi divergenti o focalizzati. (B) Immagini ottiche della luce riflessa dal substrato non strutturato e dall'area OMS del MEMS-OMS posizionato sul piano B con tensioni di attuazione di Vb1 =10.00 V e Vb2 =14,50 V per luce incidente TM/TE a 800 nm di lunghezza d'onda. Come riferimento è stata registrata anche la luce riflessa dal substrato non strutturato e dall'area OMS del MEMS-OMS posizionato sul piano A. Credito: Progressi scientifici , 10.1126/sciadv.abg5639
Il team ha quindi progettato una piattaforma MEMS-OMS per realizzare uno sterzo dinamico del raggio indipendente dalla polarizzazione utilizzando una micro lente ottica progettata separatamente e uno specchio MEMS ultraveloce su un circuito stampato. Il metodo ha semplificato il processo di sviluppo, e hanno caratterizzato i singoli componenti dell'apparato sperimentale utilizzando un microscopio ottico e un microscopio elettronico a scansione. Dopo la progettazione e la realizzazione dell'impianto, Meng et al. ha stimato il più piccolo divario ottenibile tra lo specchio MEMS e la superficie del substrato OMS utilizzando l'interferometria a lunghezze d'onda multiple. Il valore era di appena 100 nm, e gli scienziati hanno caratterizzato le prestazioni della piattaforma MEMS-OMS utilizzando un laser sintonizzabile in lunghezza d'onda e ottico, componenti di polarizzazione e imaging. Lo specchio a film sottile è sopravvissuto a più di 10 11 cicli per condizioni operative standard per realizzare ottiche, rilevamento capacitivo e piezoresistivo, il dispositivo MEMS potrebbe anche mantenere una frequenza di risonanza senza instabilità. Per comprendere i meccanismi di focalizzazione dinamica alla base del dispositivo MEMS-OMS, Meng et al. azionò elettricamente lo specchio e osservò le corrispondenti risposte ottiche nel piano dell'oggetto diretto e verificò l'effetto di focalizzazione usando un raggio incidente focalizzato.
Veduta
In questo modo, Chao Meng e colleghi hanno sviluppato una piattaforma MEMS-OMS dinamica azionata elettricamente che combinava uno specchio MEMS piezoelettrico a film sottile con metasuperfici ottiche. La piattaforma offriva una modulazione di fase e ampiezza regolata della luce riflessa mediante l'azionamento fine dello specchio MEMS. Gli scienziati hanno progettato e mostrato i dispositivi MEMS-OMS che funzionano nella gamma di lunghezze d'onda del vicino infrarosso per notare una funzione rapida ed efficiente. La configurazione sperimentale può essere migliorata aggirando il requisito di ridurre il divario tra lo specchio MEMS e la superficie OMS. Utilizzando il dispositivo sviluppato in questo lavoro, Meng et al. realizzato diverse funzionalità e prestazioni dinamiche riconfigurabili per aprire prospettive affascinanti e realizzare alte prestazioni, dispositivi a controllo dinamico con potenziali applicazioni future in sistemi ottici riconfigurabili e adattivi.
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