Un recente articolo esplora il multiplexing di infinite funzionalità utilizzando una singola metasuperficie, sfruttando l’interferenza coerente delle onde. Con gli avanzamenti nelle scienze e nelle applicazioni ottiche, c’è una crescente domanda di dispositivi ottici multifunzionali capaci di integrare il maggior numero possibile di funzionalità di controllo delle onde in un unico sistema ultra-compatto.
Tuttavia, i dispositivi ottici realizzati con dielettrici convenzionali si basano sulle fasi di propagazione della luce, il che porta inevitabilmente a dimensioni ingombranti dei dispositivi (rispetto alle lunghezze d’onda) e/o a basse efficienze (a causa dell’assenza di risposte magnetiche). Inoltre, la mancanza di gradi di libertà aggiuntivi per manipolare la luce rende difficile utilizzare dielettrici convenzionali per creare dispositivi ottici compatti con funzionalità multiple, un problema che ostacola significativamente l’integrazione ottica.
Le metasuperfici, metamateriali ultra-sottili composti da microstrutture planari sublunghezza d’onda con risposte ottiche su misura disposte in sequenze specifiche pre-progettate, offrono straordinarie capacità di controllo delle onde luminose e hanno attirato notevole attenzione negli ultimi anni.
Progettando sia i metaatomi che la loro disposizione, gli scienziati hanno sviluppato varie metasuperfici che controllano localmente le onde sparse in termini di fase e polarizzazione, consentendo la formazione di fasci luminosi su misura nel campo lontano basandosi sul principio di Huygens. Questo approccio ha portato alla realizzazione di numerose funzionalità di manipolazione delle onde, inclusa la capacità bi- e multifunzionale all’interno di un singolo meta-dispositivo.
Multifunzionalità nelle Metasuperfici
Riguardo a questi meta-dispositivi bi/multi-funzionali, gli scienziati hanno combinato fasi di interfaccia generate da meccanismi multipli per ottenere il controllo del campo luminoso duale/multifunzionale, ad esempio utilizzando contemporaneamente fasi geometriche dipendenti dalla polarizzazione indotte da rotazioni strutturali e fasi di risonanza strutturale indipendenti dalla polarizzazione, realizzando diverse funzionalità all’interno di un singolo dispositivo ultra-sottile sublunghezza d’onda, avanzando notevolmente lo sviluppo dell’ottica integrata.
Tuttavia, i dispositivi di controllo del campo luminoso multifunzionali esistenti richiedono principalmente la variazione simultanea di diverse caratteristiche diverse della luce incidente, mentre utilizzando esclusivamente la variazione della polarizzazione della luce incidente può esibire al massimo due diverse funzionalità di controllo delle onde, dettate dal numero di polarizzazioni incidenti indipendenti.
Per aumentare ulteriormente il numero di funzionalità multiplexate da un singolo dispositivo metasuperficiale, è necessario sviluppare nuove strategie di progettazione per superare il limite imposto dal numero di stati di polarizzazione indipendenti sul numero di funzionalità indipendenti.
Nuova Strategia di Progettazione per Funzionalità Infinite
Gli autori di questo articolo propongono un approccio per progettare metadispositivi che mostrano (in principio) un numero infinito di funzionalità di controllo delle onde basate su interferenze coerenti delle onde sintonizzate variando continuamente lo stato di polarizzazione della luce incidente, e verificano sperimentalmente il concetto nel regime delle lunghezze d’onda delle telecomunicazioni (1550 nm). La ricerca è stata pubblicata di recente sulla rivista Opto-Electronic Advances.
Si propone che la polarizzazione incidente possa essere proiettata sulle basi della polarizzazione circolare sinistra (LCP) e destra (RCP), cioè 0=A+++A, ± che denotano rispettivamente i componenti LCP e RCP. L’onda dispersa dalla metasuperficie può essere indicata dalla decomposizione lineare dei fronti d’onda LCP e RCP: A+ F+(r) +(r)+A- F-(r) -(r), F±(r) che denota rispettivamente i fronti d’onda LCP e RCP.
Progettando indipendentemente questi due fronti d’onda di componenti con elicità opposta, la sintonizzazione continua della polarizzazione incidente, cioè il rapporto tra i componenti LCP e RCP, può modulare efficacemente il fronte d’onda e la polarizzazione locale del campo totale ottenuto attraverso interferenze coerenti indicate Ff(r) f(r)=A+ F+(r) +(r)+A- F-(r) -(r), e quindi multiplexare (in principio) un numero infinito di funzionalità di controllo delle onde.
Dopo aver progettato una serie di metaatomi con fasi di riflessione su misura e capacità di conversione della polarizzazione, sono stati costruiti due metadispositivi funzionali e le loro funzionalità di controllo delle onde sono state calcolate sperimentalmente sotto illuminazioni di luce con polarizzazione sintonizzata continuamente lungo un certo percorso sulla sfera di Poincaré.
Gli esperimenti hanno dimostrato che: Il primo dispositivo ha generato due distinti fasci a vortice non sovrapposti con intensità in continua variazione. Il secondo dispositivo ha prodotto un singolo fascio a vortice vettoriale con momento angolare orbitale (OAM) e/o distribuzioni di polarizzazione locale (LPD) continuamente modulate variando la polarizzazione incidente. I risultati sperimentali sono stati coerenti sia con le simulazioni numeriche che con le previsioni teoriche.
Questi risultati possono trovare numerose applicazioni nella pratica e possono stimolare molti studi futuri. Ad esempio, le estensioni ai sistemi complessi in campo vicino e lontano e/o trasmissivi sono interessanti progetti futuri, e l’utilizzo di fasci vettoriali come luce incidente può arricchire ulteriormente le funzionalità di manipolazione delle onde dei metadispositivi.
Riferimento: Funzionalità di multiplexing in metasuperfici ad alta efficienza basate su interferenze coerenti delle onde di Yuejiao Zhou, Tong Liu, Changhong Dai, Dongyi Wang e Lei Zhou, 3 settembre 2024, Opto-Electronic Advances. DOI: 10.29026/oea.2024.240086
