2D-vågfrontsformning med MEMS-OMS. (A) Schematisk över spegelliknande ljusreflektion av MEMS-OMS före aktivering, dvs. med det initiala gapet på ~350 nm mellan OMS nanobrick-arrayer och MEMS-spegel. Infallande ljus reflekteras speglande av MEMS-OMS oavsett OMS-design. (B och C) Schematisk över demonstrerade funktioner, (B) onormal reflektion och (C) fokusering (beroende på OMS-designen), aktiveras genom att föra MEMS-spegeln nära OMS-ytan, dvs. genom att minska luftgapet till ~20 nm. Kreditera: Vetenskapens framsteg , 10.1126/sciadv.abg5639
Optiska metasytor kan utan motstycke reglera mångsidiga vågfronter på subvåglängdsskalan. De flesta väletablerade optiska metasytor är, dock, statiska och har väldefinierade optiska svar som bestäms av optiska metasytor som ställs in under utvecklingen. De dynamiska konfigurationerna av de hittills undersökta materialen visar ofta specifika begränsningar och minskad omkonfigurerbarhet. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , Chao Meng och ett forskarteam inom nanoteknik, nano-optik, och elektronik i Danmark, Norge och Kina, kombinerade ett tunnfilms piezoelektriskt mikromekaniskt system (MEMS) med en gap-yta plasmonbaserad optisk metayta (OMS). Med hjälp av inställningen, de utvecklade en elektriskt driven, dynamisk mikroelektromekanisk system-optisk metasyteplattform för att reglera faser tillsammans med amplitudmoduleringar av det reflekterade ljuset genom att finaktivera MEMS-spegeln. Genom att använda denna plattform, de visade hur komponenterna gav polarisationsoberoende strålstyrning och tvådimensionell fokusering med hög moduleringseffektivitet och snabba svar. Plattformen erbjuder flexibla lösningar för att realisera komplex dynamik i 2D-vågfrontsbestämmelser med applikationer i omkonfigurerbara och adaptiva optiska nätverk och system.
Optiska metasytor
Optiska metasytor representerar vanligtvis sub-våglängds täta plana arrayer av nanostrukturerade element även kända som meta-atomer som är designade för att erbjuda spridda optiska fält och lokal fasreglering. Många applikationer i det förflutna har visat vågfrontsformning av fritt rymd, mångsidiga polarisationstransformationer, generering av optisk virvel och optisk holografi. För mer intelligenta och adaptiva system inklusive ljusdetektering och avståndsintervall (LIDAR) samt optisk spårning och kommunikation i fritt utrymme, eller dynamisk visning och holografi, det är mycket önskvärt att utveckla optiska metasytor med omkonfigurerbara funktionaliteter. I det här arbetet, Chao Meng och ett team av forskare kombinerade ett tunnfilms piezoelektriskt MEMS (mikromekaniskt system) med den gap-yte plasmonbaserade optiska metaytan (OMS) för att utveckla en elektriskt driven dynamisk MEMS-OMS-plattform. I huvudtanken, de underlättade den konventionella spaltytan plasmonbaserade optiska metaytan för att bilda en rörlig bakre reflektor. Forskarna designade och utvecklade OMS- och MEMS-speglarna för att urskilja processvägarna och kombinerade dem sedan för att säkerställa designfrihet på båda sidor med minskad komplexitet under utvecklingen. Arbetet erbjöd en kontinuerligt inställbar och omkonfigurerbar MEMS-OMS-plattform med ultrakompakta mått och låg strömförbrukning.
Polarisationsoberoende dynamisk strålstyrning:Design. (A) Schematisk över OMS-enhetscellen inklusive luftgapet och guldspegeln. (B) Den komplexa reflektionskoefficienten r beräknad som en funktion av nanostenens sidolängd Lx och luftgapet ta med andra parametrar som följer:λ =800 nm, tm =50 nm, Λ =250 nm, och Ly =Lx. Färgning är relaterad till reflektionsamplituden, medan de magentafärgade linjerna representerar konstanta reflektionsfaskonturer. (C) Reflektionsfas (streckade linjer) och amplitud (heldragna linjer) beroende av nanobricklängden Lx för två extrema luftgap:ta =20 nm (röd) och 350 nm (blå). Cirklar representerar nanobrickstorlekarna som valts för OMS-supercellen designad för dynamisk strålstyrning. (D) Ovanifrån och (E) tvärsnitt av den designade MEMS-OMS supercellen. (F och G) Fördelningar av det reflekterade elektriska TM-fältet (x-komponent) vid 800 nm våglängd för luftgap på ta =20 och 350 nm, respektive. (H) Diffraktionseffektiviteter av olika ordning (|m| ≤ 1) beräknade som en funktion av luftgapet ta för TM/TE-infallande ljus med 800 nm våglängd. (I) Diffraktionseffektiviteter av olika ordning (|m| ≤ 1) beräknade vid luftgapet ta =20 nm som en funktion av våglängden för TM/TE-infallande ljus. Kreditera: Vetenskapens framsteg , 10.1126/sciadv.abg5639 
Genom att använda denna plattform, Meng et al. experimentellt visade dynamisk polarisationsoberoende strålstyrning och reflekterande 2D-fokusering. De aktiverade MEMS-spegeln elektriskt för att reglera MEMS-CMS-avståndet, och visade polarisationsoberoende dynamiska svar med stor moduleringseffektivitet. Enheten fungerade vid en våglängd på 800 nm med en strålstyrningseffektivitet som nådde 40 till 46 procent för transversella magnetiska (TM) och transversella elektriska (TE) polarisationer. Den föreslagna enheten bibehöll en metallisolator-metallstruktur bestående av ett tjockt guldskikt placerat ovanpå ett kiselsubstrat för att bilda den mikroelektromekaniska systemspegeln, medan 2D-arrayer av guldnanostenar på ett glassubstrat bildade strukturen för optisk metasurface (OMS). Forskarna underlättade den föreslagna funktionella våglängden i enheten och observerade transformationen av reflektionsfasresponsen för att indikera ett enkelt och okomplicerat tillvägagångssätt för att realisera ett MEMS-OMS-chip.
Designa de experimentella förhållandena
MEMS-OMS montering. (A) Typiskt foto av MEMS-OMS-enheten bestående av OMS mönstrad på ett glassubstrat, en ultraplatt tunnfilms MEMS-spegel, och ett tryckt kretskort (PCB) för elektrisk anslutning. (B) Optisk mikroskopi och (C) SEM-bilder av OMS som representerar 30 μm gånger 30 μm och 250 nm-perioden av nanosten av guld av olika storlek utformade för dynamisk strålstyrning, tillverkad ovanpå en 10 μm hög piedestal på glassubstratet, och används i MEMS-OMS-sammansättningen. Fotokredit:Chao Meng, Syddanmarks universitet. Kreditera: Vetenskapens framsteg , 10.1126/sciadv.abg5639
Polarisationsoberoende dynamisk strålstyrning:Karakterisering. (A) Optiska bilder vid direkta objekt (DI) och Fourierbild (FI) plan av det reflekterade ljuset från MEMS-OMS under aktiveringsspänningar på Va1 =0,00 V (överst) och Va2 =3,75 V (mitten) för TM/TE normalt infallande ljus med 800 nm våglängd. Reflekterat ljus från ostrukturerat substrat (botten) i MEMS-OMS-enheten registreras också som referens. (B) Diffraktionseffektiviteter av olika ordning (|m| ≤ 1) mätt som en funktion av aktiveringsspänningen för TM/TE-infallande ljus med 800 nm våglängd. (C) Diffraktionseffektiviteter av olika ordning (|m| ≤ 1) mätt som en funktion av våglängden för TM/TE-infallande ljus. (D) Svarstid för de olika diffraktionsordningarna (m =0/+1) mätt genom att aktivera MEMS-spegeln med en periodisk rektangelsignal. Kreditera: Vetenskapens framsteg , 10.1126/sciadv.abg5639
Polarisationsoberoende dynamisk 2D-fokusering:Karakterisering. (A) Fokuseringseffektivitet mätt som en funktion av aktiveringsspänningen för TM/TE-infallande ljus med 800 nm våglängd. Den övre vänstra insättningen är en typisk SEM-bild av OMS som representerar 14-μm-diameter och 250-nm-period-array av guld-nanobricks av olika storlek utformade för dynamisk 2D-fokusering. Skalstång, 2 μm. Insättningen längst ner till höger illustrerar mätmetoden där den infallande strålen fokuseras på plan A (objektivets fokalplan) och träffar det ostrukturerade substratet eller OMS-området på MEMS-OMS vid plan B (2f avstånd från brännpunkten) målets plan), vilket resulterar i respektive divergerande eller fokuserade reflekterade fält. (B) Optiska bilder av det reflekterade ljuset från det ostrukturerade substratet och OMS-området av MEMS-OMS placerade i plan B med aktiveringsspänningar på Vb1 =10,00 V och Vb2 =14,50 V för TM/TE infallande ljus vid 800 nm våglängd. Det reflekterade ljuset från det ostrukturerade substratet och OMS-området av MEMS-OMS placerat i plan A registrerades också som en referens. Kreditera: Vetenskapens framsteg , 10.1126/sciadv.abg5639
Teamet designade sedan en MEMS-OMS-plattform för att realisera polarisationsoberoende dynamisk strålstyrning med hjälp av en separat designad optisk mikrolins och en ultrasnabb MEMS-spegel på ett kretskort. Metoden förenklade utvecklingsprocessen, och de karakteriserade de individuella komponenterna i experimentuppställningen med hjälp av ett optiskt mikroskop och svepelektronmikroskop. Efter designen och tillverkningen av installationen, Meng et al. uppskattade det minsta möjliga gapet mellan MEMS-spegeln och OMS-substratytan med hjälp av multivåglängdsinterferometri. Värdet var så litet som 100 nm, och forskarna karakteriserade prestandan hos MEMS-OMS-plattformen med hjälp av en våglängdsjusterbar laser och optisk, polarisations- och bildbehandlingskomponenter. Tunnfilmsspegeln överlevde mer än 10 11 cykler för standarddriftsförhållanden för att åstadkomma optisk, kapacitiv och piezoresistiv avkänning, MEMS-enheten kan också upprätthålla en resonansfrekvens utan instabilitet. För att förstå de dynamiska fokuseringsmekanismerna bakom MEMS-OMS-enheten, Meng et al. aktiverade elektriskt spegeln och observerade motsvarande optiska svar i det direkta objektplanet och verifierade fokuseringseffekten med användning av en fokuserad infallande stråle.
Syn
På det här sättet, Chao Meng och kollegor utvecklade en elektriskt driven dynamisk MEMS-OMS-plattform som kombinerade en tunnfilms piezoelektrisk MEMS-spegel med optiska metasytor. Plattformen erbjöd reglerad fas- och amplitudmodulering av det reflekterade ljuset genom finaktivering av MEMS-spegeln. Forskarna designade och visade MEMS-OMS-enheter som fungerar i det nära-infraröda våglängdsområdet för att notera snabb och effektiv funktion. Den experimentella uppställningen kan förbättras genom att kringgå kravet på att minska gapet mellan MEMS-spegeln och OMS-ytan. Med hjälp av enheten som utvecklats i detta arbete, Meng et al. realiserat mångsidig funktionalitet och dynamisk omkonfigurerbar prestanda för att öppna fascinerande perspektiv och realisera högpresterande, dynamiskt styrda enheter med potentiella framtida tillämpningar i omkonfigurerbara och adaptiva optiska system.
© 2021 Science X Network
