Metazařízení pro dynamické ovládání THz vlnoploch pomocí rotace vrstev kaskádových metapovrchů. Kredit: Shanghai University
Kaskádové metaplochy pro dynamické řízení THz vlnoploch
Elektromagnetické (EM) vlny v terahertzovém (THz) režimu přispívají k důležitým aplikacím v komunikaci, bezpečnostním zobrazování a bio- a chemickém snímání. Taková široká použitelnost vedla k významnému technologickému pokroku. Avšak kvůli slabým interakcím mezi přírodními materiály a THz vlnami jsou konvenční THz zařízení typicky objemná a neefektivní. Ačkoli existují ultrakompaktní aktivní THz zařízení, současné elektronické a fotonické přístupy k dynamickému řízení postrádají účinnost.
Rychlý vývoj v oblasti metapovrchů nedávno otevřel nové možnosti pro vytvoření vysoce účinných ultrakompaktních THz zařízení pro dynamické řízení čela vlny. Ultratenké metamateriály tvořené subvlnovými planárními mikrostrukturami (tj. meta-atomy), metapovrchy umožňují přizpůsobené optické odezvy pro řízení EM vlnoploch. Konstruováním metapovrchů, které mají určité předem navržené fázové profily pro přenášené nebo odražené vlny, vědci prokázali fascinující efekty manipulace s vlnami, jako je anomální odklon světla, manipulace s polarizací, fotonický spin-Hall a hologramy.
Ukázka dynamického metazařízení s řízením paprsku: (a) Schéma metazařízení, které se skládá ze dvou vrstev transmisivních metapovrchů zarovnaných motorizovaným rotačním stupněm. (b) Pohled shora (vlevo) a (c) pohled zdola (vpravo) SEM obrázky vyrobeného metazařízení. (d) Schémata experimentálního uspořádání, která charakterizují metazařízení. (e) Experimentální a (f) simulované distribuce rozptylu energie ve vzdáleném poli s metazařízením osvětleným světlem LCP při 0.7 THz a vyvíjejícím se podél dráhy I v různých časových okamžicích. (g) Vývoj směrů přenášených vln na sféře směru k, jak se metazařízení pohybuje po dráze I a dráze II, s plnou čarou (symboly hvězdy) označující simulované (experimentální) výsledky. Zde modrá oblast označuje prostorový úhel pro pokrytí paprskem. Kredit: X. Cai et al., doi 10.1117/1.AP.3.3.036003
Navíc integrace aktivních prvků s jednotlivými meta-atomy uvnitř pasivních metapovrchů umožňuje „aktivní“ metazařízení, která mohou dynamicky manipulovat s EM vlnoplochy. Zatímco aktivní prvky v hlubokých subvlnových délkách lze snadno nalézt v mikrovlnném režimu (např. PIN diody a varaktory) a úspěšně přispívají k aktivním metazařízením pro řízení paprsku, programovatelné hologramy a dynamické zobrazování, je obtížné je vytvořit při frekvencích vyšších než THz. . Tato obtíž je způsobena omezením velikosti a značnými ohmickými ztrátami v elektronických obvodech. Ačkoli THz frekvence mohou řídit THz paprsky jednotným způsobem, obvykle nejsou schopny dynamicky manipulovat s THz vlnoplochy. To je nakonec způsobeno nedostatky ve schopnostech místního ladění v hlubokých subvlnových délkách v této frekvenční doméně. Proto je prioritou vývoj nových přístupů, které obcházejí spoléhání se na místní ladění.
Jak je uvedeno v Pokročilá fotonika, výzkumníci z Shanghai University a Fudan University vyvinuli obecný rámec a metazařízení pro dosažení dynamického řízení THz vlnoploch. Místo toho, aby lokálně ovládaly jednotlivé meta-atomy v THz metapovrchu (např. pomocí PIN diody, varaktoru atd.), mění polarizaci světelného paprsku rotujícími vícevrstvými kaskádovými metapovrchy. Ukazují, že rotace různých vrstev (každá vykazuje určitý fázový profil) v kaskádovém metazařízení při různých rychlostech může dynamicky změnit efektivní vlastnost Jonesovy matice celého zařízení a dosáhnout tak mimořádných manipulací s vlnoplochou a polarizačními charakteristikami THz paprsků. Jsou demonstrována dvě metazařízení: první metazařízení může efektivně přesměrovat normálně dopadající paprsek THz na skenování v širokém rozsahu plného úhlu, zatímco druhé může dynamicky manipulovat jak vlnoplochu, tak polarizaci paprsku THz.
Tato práce navrhuje atraktivní alternativní způsob, jak dosáhnout levného dynamického řízení THz vln. Výzkumníci doufají, že práce bude inspirovat budoucí aplikace v THz radaru, stejně jako bio- a chemické snímání a zobrazování.
Reference: „Dynamické ovládání terahertzových vlnoploch s kaskádovými metapovrchy“ od Xiaodong Cai, Rong Tang, Haoyang Zhou, Qiushi Li, Shaojie Ma, Dongyi Wang, Tong Liu, Xiaohui Ling, Wei Tan, Qiong He, Shiyi Xiao a Lei Zhou June 26, Pokročilá fotonika.
DOI: 10.1117/1.AP.3.3.036003
