O controle de frente de onda acromática de banda larga é um requisito fundamental para tecnologias ópticas de próxima geração, incluindo imagens coloridas e detecção multiespectral. Pesquisadores liderados pelo professor Yijun Feng e pelo professor Ke Chen, da Universidade de Nanjing, relataram agora um grande avanço neste campo em FotoniX. Seu trabalho apresenta uma abordagem de engenharia de dispersão cooperativa de fase híbrida que integra as fases geométricas Aaronov-Anandan (AA) e Pancharatnam-Berry (PB) em uma metassuperfície monocamada. Esta combinação permite o controle acromático independente da luz com dois estados de rotação diferentes.
A dispersão é uma propriedade fundamental das ondas eletromagnéticas. Embora forneça efeitos úteis dependentes do comprimento de onda, também causa aberrações cromáticas que se tornam mais graves à medida que a largura de banda aumenta. Esses efeitos podem mudar os ângulos de rotação, mudar o foco e reduzir a precisão espacial. Metasuperfícies, que são estruturas planas feitas de arranjos cuidadosamente projetados de metaátomos de subcomprimentos de onda, oferecem uma maneira poderosa de moldar a luz. No entanto, a maioria dos projetos de metassuperfícies acromáticas existentes são limitados a um único canal de rotação na prática. Em outros casos, ambos os canais de spin são endereçados, mas são forçados a ter o mesmo comportamento de dispersão. Como resultado, o controle totalmente independente do atraso de fase e de grupo para ambas as rotações em um dispositivo compacto permanece difícil, embora seja essencial para sistemas ópticos multicanais e multiplexados.
Combine fases geométricas para desbloquear o controle de giro duplo
Para superar este problema ao nível dos metaátomos individuais, os investigadores desenvolveram uma estrutura de fase híbrida na qual cada fase geométrica desempenha um papel separado. Neste projeto, a fase AA fornece o que a equipe chama de “desbloqueio giratório”, enquanto a fase PB fornece “expansão de fase”. A distribuição assimétrica de corrente dentro de cada metaátomo causa reflexão de ondas circularmente polarizadas (RCP e LCP) para destros e canhotos ao longo de diferentes caminhos. Esta separação permite o controle independente de suas propriedades de fase e dispersão.
A equipe então ajustou a força ressonante dos metaátomos para ajustar independentemente o atraso do grupo para cada giro. Ao mesmo tempo, a sintonia de frequência e a rotação estrutural local foram usadas para estabelecer a fase, mantendo ao mesmo tempo baixa diafonia indesejada. A fase PB adicionada via rotação global estende a faixa de fase disponível para 2π completo sem alterar significativamente o projeto de atraso do grupo. Juntos, esses elementos criam uma estratégia prática de design de camada única para controle acromático de rotação dupla.
Evidência experimental em diversas faixas de frequência
Os pesquisadores demonstraram sua abordagem experimentalmente usando dois tipos de dispositivos operando na faixa de 8 a 12 GHz. Uma classe consistia em defletores de feixe acromáticos desbloqueados por rotação que suportavam direção estável e dependente de rotação ao longo do alcance. Outro incluía lustres metálicos acromáticos que atribuíam diferentes funções de foco de luz RCP e LCP, mantendo alto desempenho em uma ampla faixa de frequência.
Além disso, a equipe apresentou projetos que aplicam os mesmos princípios na faixa de terahertz de 0,8-1,2 THz. Isto mostra que o método não está limitado a uma parte do espectro eletromagnético, mas representa uma estrutura de engenharia de dispersão amplamente aplicável.
Rumo a sistemas meta-ópticos mais universais
Este trabalho leva as metassuperfícies acromáticas além da correção de canal único para o reino da metaóptica de dois spins totalmente independente. Ao tratar os dois estados de spin como graus de liberdade verdadeiramente separados, esta abordagem permite a criação de sistemas ópticos compactos com muitas funções integradas em um único dispositivo. Olhando para o futuro, a estratégia de projeto de fase híbrida pode ser estendida na faixa visível para imagens multiplexadas por polarização e óptica integrada de banda larga. Os pesquisadores também observam que as técnicas de engenharia reversa, incluindo algoritmos genéticos e aprendizado profundo, podem ajudar a acelerar a otimização de dispositivos e apoiar a implantação de sistemas no mundo real.
