Un metadispositivo para controlar dinámicamente los frentes de onda de THz mediante la rotación de capas de metasuperficies en cascada. Crédito: Universidad de Shanghai
Metasuperficies en cascada para control dinámico de frentes de onda de THz
Las ondas electromagnéticas (EM) en el régimen de terahercios (THz) contribuyen a aplicaciones importantes en comunicaciones, imágenes de seguridad y detección bioquímica y química. Esta amplia aplicabilidad ha resultado en un progreso tecnológico significativo. Sin embargo, debido a las débiles interacciones entre los materiales naturales y las ondas de THz, los dispositivos de THz convencionales suelen ser voluminosos e ineficientes. Aunque existen dispositivos de THz activos ultracompactos, los enfoques electrónicos y fotónicos actuales para el control dinámico han carecido de eficiencia.
Recientemente, los rápidos desarrollos en las metasuperficies han abierto nuevas posibilidades para la creación de dispositivos THz ultracompactos de alta eficiencia para el control dinámico del frente de onda. Los metamateriales ultrafinos formados por microestructuras planas de sublongitud de onda (es decir, metaátomos), las metasuperficies permiten respuestas ópticas personalizadas para el control de los frentes de onda EM. Mediante la construcción de metasuperficies que poseen ciertos perfiles de fase prediseñados para ondas transmitidas o reflejadas, los científicos han demostrado fascinantes efectos de manipulación de ondas, como desviación anómala de la luz, manipulación de polarización, espín-Hall fotónico y hologramas.
Demostración del metadispositivo dinámico de dirección de haz: (a) Esquemas del metadispositivo, que consta de dos capas de metasuperficies transmisivas alineadas por una etapa de rotación motorizada. (b) Vista superior (izquierda) y (c) vista inferior (derecha) imágenes SEM del metadispositivo fabricado. ( d ) Esquemas de la configuración experimental que se muestra para caracterizar el metadispositivo. (e) Distribuciones de potencia de dispersión de campo lejano experimentales y (f) simuladas con el metadispositivo iluminado por una luz LCP a 0.7 THz, y evolucionando a lo largo de la Ruta I en diferentes instantes de tiempo. ( g ) Evolución de las direcciones de onda transmitidas en la esfera de la dirección k a medida que el metadispositivo se mueve a lo largo de la Ruta I y la Ruta II, con una línea continua (símbolos de estrella) que indica los resultados simulados (experimentales). Aquí, la región azul denota el ángulo sólido para la cobertura de dirección del haz. Crédito: X. Cai et al., doi 10.1117/1.AP.3.3.036003
Además, la integración de elementos activos con metaátomos individuales dentro de metasuperficies pasivas permite metadispositivos "activos" que pueden manipular dinámicamente los frentes de onda EM. Si bien los elementos activos en sublongitudes de onda profundas se encuentran fácilmente en el régimen de microondas (p. ej., diodos PIN y varactores) y contribuyen con éxito a los metadispositivos activos para dirección de haz, hologramas programables e imágenes dinámicas, son difíciles de crear a frecuencias superiores a THz. . Esta dificultad se debe a restricciones de tamaño y pérdidas óhmicas significativas en los circuitos electrónicos. Aunque las frecuencias de THz pueden controlar los haces de THz de manera uniforme, normalmente no pueden manipular dinámicamente los frentes de onda de THz. En última instancia, esto se debe a deficiencias en las capacidades de sintonización local en escalas de sublongitud de onda profunda en este dominio de frecuencia. Por lo tanto, el desarrollo de nuevos enfoques que eviten la dependencia de la sintonización local es una prioridad.
Como se informó en Fotónica avanzada, investigadores de la Universidad de Shanghái y la Universidad de Fudan desarrollaron un marco general y metadispositivos para lograr el control dinámico de los frentes de onda de THz. En lugar de controlar localmente los metaátomos individuales en una metasuperficie de THz (p. ej., a través de un diodo PIN, un varactor, etc.), varían la polarización de un haz de luz con metasuperficies giratorias en cascada multicapa. Demuestran que la rotación de diferentes capas (cada una con un perfil de fase particular) en un metadispositivo en cascada a diferentes velocidades puede cambiar dinámicamente la propiedad efectiva de la matriz de Jones de todo el dispositivo, logrando manipulaciones extraordinarias del frente de onda y las características de polarización de los haces de THz. Se demuestran dos metadispositivos: el primer metadispositivo puede redirigir eficientemente un haz de THz incidente normalmente para escanear en un amplio rango de ángulo sólido, mientras que el segundo puede manipular dinámicamente tanto el frente de onda como la polarización de un haz de THz.
Este trabajo propone una forma alternativa atractiva para lograr un control dinámico de bajo costo de las ondas THz. Los investigadores esperan que el trabajo inspire futuras aplicaciones en el radar THz, así como la detección e imagen biológica y química.
Referencia: "Control dinámico de frentes de onda de terahercios con metasuperficies en cascada" por Xiaodong Cai, Rong Tang, Haoyang Zhou, Qiushi Li, Shaojie Ma, Dongyi Wang, Tong Liu, Xiaohui Ling, Wei Tan, Qiong He, Shiyi Xiao y Lei Zhou, 26 de junio 2021, Fotónica avanzada.
DOI: 10.1117 / 1.AP.3.3.036003
