Ein Metagerät zur dynamischen Steuerung von THz-Wellenfronten durch Rotation von Schichten kaskadierter Metaoberflächen. Bildnachweis: Universität Shanghai
Kaskadierte Metaoberflächen zur dynamischen Steuerung von THz-Wellenfronten
Elektromagnetische (EM) Wellen im Terahertz (THz)-Bereich tragen zu wichtigen Anwendungen in der Kommunikation, der Sicherheitsbildgebung und der Bio- und chemischen Sensorik bei. Diese breite Anwendbarkeit hat zu bedeutenden technologischen Fortschritten geführt. Aufgrund schwacher Wechselwirkungen zwischen natürlichen Materialien und THz-Wellen sind herkömmliche THz-Geräte jedoch typischerweise sperrig und ineffizient. Obwohl es ultrakompakte aktive THz-Geräte gibt, fehlt es den aktuellen elektronischen und photonischen Ansätzen zur dynamischen Steuerung an Effizienz.
In letzter Zeit haben schnelle Entwicklungen bei Metaoberflächen neue Möglichkeiten für die Schaffung von hocheffizienten, ultrakompakten THz-Geräten für die dynamische Wellenfrontsteuerung eröffnet. Ultradünne Metamaterialien, die durch planare Subwellenlängen-Mikrostrukturen (dh Metaatome) und Metaoberflächen gebildet werden, ermöglichen maßgeschneiderte optische Reaktionen zur Steuerung von EM-Wellenfronten. Durch die Konstruktion von Metaoberflächen, die bestimmte vorgefertigte Phasenprofile für übertragene oder reflektierte Wellen besitzen, haben Wissenschaftler faszinierende Wellenmanipulationseffekte wie anomale Lichtablenkung, Polarisationsmanipulation, photonische Spin-Hall und Hologramme demonstriert.
Demonstration des dynamischen Strahllenkungs-Metageräts: (a) Schematische Darstellung des Metageräts, das aus zwei Schichten transmissiver Metaoberflächen besteht, die durch eine motorisierte Rotationsstufe ausgerichtet werden. (b) Draufsicht (links) und (c) Unteransicht (rechts) SEM-Bilder des hergestellten Metageräts. (d) Schemata des experimentellen Aufbaus, der gezeigt wird, um das Meta-Gerät zu charakterisieren. (e) Experimentelle und (f) simulierte Fernfeld-Streuleistungsverteilungen, wobei das Metagerät von einem LCP-Licht bei 0.7 THz beleuchtet wird und sich zu unterschiedlichen Zeitpunkten entlang Pfad I entwickelt. (g) Entwicklung der übertragenen Wellenrichtungen auf der Sphäre der k-Richtung, wenn sich das Metagerät entlang Pfad I und Pfad II bewegt, wobei die durchgezogene Linie (Sternsymbole) die simulierten (experimentellen) Ergebnisse bezeichnet. Hier bezeichnet der blaue Bereich den Raumwinkel für die Beam-Steering-Abdeckung. Quelle: X. Cai et al., doi 10.1117/1.AP.3.3.036003
Darüber hinaus ermöglicht die Integration aktiver Elemente mit einzelnen Metaatomen in passive Metaoberflächen „aktive“ Metageräte, die EM-Wellenfronten dynamisch manipulieren können. Während aktive Elemente in tiefen Subwellenlängen im Mikrowellenbereich leicht zu finden sind (z. B. PIN-Dioden und Varaktoren) und erfolgreich zu aktiven Metageräten für Strahllenkung, programmierbare Hologramme und dynamische Bildgebung beitragen, sind sie bei höheren Frequenzen als THz schwierig zu erzeugen . Diese Schwierigkeit ist auf Größenbeschränkungen und erhebliche ohmsche Verluste in elektronischen Schaltungen zurückzuführen. Obwohl THz-Frequenzen THz-Strahlen auf einheitliche Weise steuern können, sind sie typischerweise nicht in der Lage, die THz-Wellenfronten dynamisch zu manipulieren. Dies ist letztendlich auf Mängel in den lokalen Abstimmungsfähigkeiten bei tiefen Subwellenlängenskalen in diesem Frequenzbereich zurückzuführen. Daher ist die Entwicklung neuer Ansätze, die die Abhängigkeit von lokaler Abstimmung umgehen, eine Priorität.
Wie berichtet in Fortgeschrittene Photonikentwickelten Forscher der Universität Shanghai und der Fudan-Universität einen allgemeinen Rahmen und Metageräte, um eine dynamische Steuerung von THz-Wellenfronten zu erreichen. Anstatt die einzelnen Metaatome in einer THz-Metaoberfläche lokal zu steuern (z. B. über eine PIN-Diode, einen Varaktor usw.), variieren sie die Polarisation eines Lichtstrahls mit rotierenden mehrschichtigen kaskadierten Metaoberflächen. Sie demonstrieren, dass das Drehen verschiedener Schichten (die jeweils ein bestimmtes Phasenprofil aufweisen) in einem kaskadierten Metagerät mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten die effektive Jones-Matrix-Eigenschaft des gesamten Geräts dynamisch ändern kann, wodurch außergewöhnliche Manipulationen der Wellenfront und der Polarisationseigenschaften von THz-Strahlen erreicht werden. Zwei Metageräte werden demonstriert: Das erste Metagerät kann einen normal einfallenden THz-Strahl effizient umlenken, um über einen großen Raumwinkelbereich zu scannen, während das zweite sowohl die Wellenfront als auch die Polarisation eines THz-Strahls dynamisch manipulieren kann.
Diese Arbeit schlägt einen attraktiven alternativen Weg vor, um eine kostengünstige dynamische Steuerung von THz-Wellen zu erreichen. Die Forscher hoffen, dass die Arbeit zukünftige Anwendungen im THz-Radar sowie in der bio- und chemischen Sensorik und Bildgebung inspirieren wird.
Referenz: „Dynamische Steuerung von Terahertz-Wellenfronten mit kaskadierten Metaoberflächen“ von Xiaodong Cai, Rong Tang, Haoyang Zhou, Qiushi Li, Shaojie Ma, Dongyi Wang, Tong Liu, Xiaohui Ling, Wei Tan, Qiong He, Shiyi Xiao und Lei Zhou, 26. Juni 2021, Fortgeschrittene Photonik.
DOI: 10.1117 / 1.AP.3.3.036003
