L'invention concerne un métadispositif pour contrôler dynamiquement des fronts d'onde THz en faisant tourner des couches de métasurfaces en cascade. Crédit : Université de Shanghai
Métasurfaces en cascade pour le contrôle dynamique des fronts d'onde THz
Les ondes électromagnétiques (EM) dans le régime térahertz (THz) contribuent à d'importantes applications dans les communications, l'imagerie de sécurité et la détection biochimique et chimique. Cette large applicabilité a entraîné des progrès technologiques significatifs. Cependant, en raison des faibles interactions entre les matériaux naturels et les ondes THz, les dispositifs THz conventionnels sont généralement encombrants et inefficaces. Bien qu'il existe des dispositifs THz actifs ultra-compacts, les approches électroniques et photoniques actuelles du contrôle dynamique manquent d'efficacité.
Récemment, les développements rapides des métasurfaces ont ouvert de nouvelles possibilités pour la création de dispositifs THz ultracompacts et à haut rendement pour le contrôle dynamique du front d'onde. Métamatériaux ultrafins formés par des microstructures planes sub-longueurs d'onde (c'est-à-dire des méta-atomes), les métasurfaces permettent des réponses optiques adaptées pour le contrôle des fronts d'onde EM. En construisant des métasurfaces qui possèdent certains profils de phase prédéfinis pour les ondes transmises ou réfléchies, les scientifiques ont démontré des effets fascinants de manipulation des ondes, tels que la déviation anormale de la lumière, la manipulation de la polarisation, le spin-Hall photonique et les hologrammes.
Démonstration du métadispositif de direction de faisceau dynamique : (a) Schémas du métadispositif, qui se compose de deux couches de métasurfaces transmissives alignées par une étape de rotation motorisée. (b) Vue de dessus (gauche) et (c) vue de dessous (droite) Images SEM du métadispositif fabriqué. ( d ) Schémas de la configuration expérimentale montrée pour caractériser le méta-dispositif. (e) Distributions de puissance de diffusion en champ lointain expérimentales et (f) simulées avec le métadispositif éclairé par une lumière LCP à 0.7 THz et évoluant le long du chemin I à différents instants. ( g ) Évolution des directions des ondes transmises sur la sphère de direction k lorsque le métadispositif se déplace le long du chemin I et du chemin II, avec une ligne continue (symboles en étoile) indiquant les résultats simulés (expérimentaux). Ici, la région bleue indique l'angle solide pour la couverture de l'orientation du faisceau. Crédit : X. Cai et al., doi 10.1117/1.AP.3.3.036003
De plus, l'intégration d'éléments actifs avec des méta-atomes individuels à l'intérieur de métasurfaces passives permet des métadispositifs "actifs" qui peuvent manipuler dynamiquement les fronts d'onde EM. Alors que les éléments actifs dans les sous-longueurs d'onde profondes se trouvent facilement dans le régime des micro-ondes (par exemple, les diodes PIN et les varactors) et contribuent avec succès aux métadispositifs actifs pour l'orientation du faisceau, les hologrammes programmables et l'imagerie dynamique, ils sont difficiles à créer à des fréquences supérieures à THz . Cette difficulté est due aux contraintes d'encombrement et aux pertes ohmiques importantes dans les circuits électroniques. Bien que les fréquences THz puissent contrôler les faisceaux THz de manière uniforme, elles sont généralement incapables de manipuler dynamiquement les fronts d'onde THz. Cela est finalement dû à des lacunes dans les capacités de réglage local à des échelles de sous-longueurs d'onde profondes dans ce domaine de fréquence. Par conséquent, le développement de nouvelles approches qui contournent la dépendance au réglage local est une priorité.
Comme indiqué dans Photonique avancée, des chercheurs de l'Université de Shanghai et de l'Université de Fudan ont développé un cadre général et des métadispositifs pour obtenir un contrôle dynamique des fronts d'onde THz. Au lieu de contrôler localement les méta-atomes individuels dans une métasurface THz (par exemple, via une diode PIN, un varactor, etc.), ils font varier la polarisation d'un faisceau lumineux avec des métasurfaces en cascade multicouches rotatives. Ils démontrent que la rotation de différentes couches (chacune présentant un profil de phase particulier) dans un métadispositif en cascade à différentes vitesses peut modifier dynamiquement la propriété effective de la matrice de Jones de l'ensemble du dispositif, réalisant des manipulations extraordinaires du front d'onde et des caractéristiques de polarisation des faisceaux THz. Deux métadispositifs sont démontrés : le premier métadispositif peut rediriger efficacement un faisceau THz normalement incident pour balayer sur une large plage d'angle solide, tandis que le second peut manipuler dynamiquement à la fois le front d'onde et la polarisation d'un faisceau THz.
Ce travail propose une alternative intéressante pour réaliser un contrôle dynamique à faible coût des ondes THz. Les chercheurs espèrent que les travaux inspireront de futures applications dans le radar THz, ainsi que dans la détection et l'imagerie biochimiques et chimiques.
Référence : "Contrôle dynamique des fronts d'onde térahertz avec des métasurfaces en cascade" par Xiaodong Cai, Rong Tang, Haoyang Zhou, Qiushi Li, Shaojie Ma, Dongyi Wang, Tong Liu, Xiaohui Ling, Wei Tan, Qiong He, Shiyi Xiao et Lei Zhou, 26 juin 2021, Photonique avancée.
DOI: 10.1117 / 1.AP.3.3.036003
