Un metadispositivo per il controllo dinamico dei fronti d'onda THz ruotando strati di metasuperfici a cascata. Credito: Università di Shanghai
Metasuperfici a cascata per il controllo dinamico dei fronti d'onda THz
Le onde elettromagnetiche (EM) nel regime terahertz (THz) contribuiscono a importanti applicazioni nelle comunicazioni, nell'imaging di sicurezza e nel rilevamento biologico e chimico. Tale ampia applicabilità ha portato a un significativo progresso tecnologico. Tuttavia, a causa delle deboli interazioni tra i materiali naturali e le onde THz, i dispositivi THz convenzionali sono in genere ingombranti e inefficienti. Sebbene esistano dispositivi THz attivi ultracompatti, gli attuali approcci elettronici e fotonici al controllo dinamico sono mancati di efficienza.
Di recente, i rapidi sviluppi delle metasuperfici hanno aperto nuove possibilità per la creazione di dispositivi THz ultracompatti e ad alta efficienza per il controllo dinamico del fronte d'onda. Metamateriali ultrasottili formati da microstrutture planari subwavelength (cioè meta-atomi), le metasuperfici consentono risposte ottiche su misura per il controllo dei fronti d'onda EM. Costruendo metasuperfici che possiedono determinati profili di fase predefiniti per le onde trasmesse o riflesse, gli scienziati hanno dimostrato affascinanti effetti di manipolazione delle onde, come la deflessione anomala della luce, la manipolazione della polarizzazione, lo spin-Hall fotonico e gli ologrammi.
Dimostrazione del metadispositivo di guida dinamica del fascio: (a) Schemi del metadispositivo, che consiste in due strati di metasuperfici trasmissive allineate da uno stadio di rotazione motorizzato. (b) Vista dall'alto (a sinistra) e (c) Vista dal basso (a destra) Immagini SEM del metadispositivo fabbricato. (d) Schemi della configurazione sperimentale mostrata per caratterizzare il meta-dispositivo. (e) Distribuzioni di potenza sperimentali e (f) simulate di scattering in campo lontano con il metadispositivo illuminato da una luce LCP a 0.7 THz e che si evolve lungo il Percorso I in diversi istanti di tempo. (g) Evoluzione delle direzioni d'onda trasmesse sulla sfera di direzione k mentre il metadispositivo si muove lungo il percorso I e il percorso II, con una linea continua (simboli a stella) che denota i risultati simulati (sperimentali). Qui, la regione blu denota l'angolo solido per la copertura del raggio di guida. Credito: X. Cai et al., doi 10.1117/1.AP.3.3.036003
Inoltre, l'integrazione di elementi attivi con singoli metaatomi all'interno di metasuperfici passive consente metadispositivi "attivi" in grado di manipolare dinamicamente i fronti d'onda EM. Sebbene gli elementi attivi in lunghezze d'onda profonde si trovino facilmente nel regime delle microonde (ad es. diodi PIN e varactor) e contribuiscano con successo a metadispositivi attivi per il controllo del raggio, ologrammi programmabili e imaging dinamico, sono difficili da creare a frequenze superiori a THz . Questa difficoltà è dovuta a restrizioni dimensionali e perdite ohmiche significative nei circuiti elettronici. Sebbene le frequenze THz possano controllare i raggi THz in modo uniforme, in genere non sono in grado di manipolare dinamicamente i fronti d'onda THz. Ciò è in definitiva dovuto a carenze nelle capacità di sintonizzazione locale su scale di lunghezze d'onda profonde in questo dominio di frequenza. Pertanto, lo sviluppo di nuovi approcci che aggirino la dipendenza dall'ottimizzazione locale è una priorità.
Come riportato in Fotonica avanzata, i ricercatori dell'Università di Shanghai e dell'Università di Fudan hanno sviluppato un quadro generale e metadispositivi per ottenere il controllo dinamico dei fronti d'onda THz. Invece di controllare localmente i singoli metaatomi in una metasuperficie THz (ad esempio, tramite diodo PIN, varactor, ecc.), essi variano la polarizzazione di un raggio di luce con metasuperfici rotanti a cascata multistrato. Dimostrano che la rotazione di diversi strati (ognuno con un particolare profilo di fase) in un metadispositivo in cascata a velocità diverse può modificare dinamicamente l'effettiva proprietà della matrice di Jones dell'intero dispositivo, ottenendo straordinarie manipolazioni del fronte d'onda e delle caratteristiche di polarizzazione dei fasci di THz. Vengono dimostrati due metadispositivi: il primo metadispositivo può reindirizzare in modo efficiente un raggio THz normalmente incidente per eseguire la scansione su un ampio intervallo di angoli solidi, mentre il secondo può manipolare dinamicamente sia il fronte d'onda che la polarizzazione di un raggio THz.
Questo lavoro propone un modo alternativo interessante per ottenere un controllo dinamico a basso costo delle onde THz. I ricercatori sperano che il lavoro ispiri applicazioni future nel radar THz, così come nel rilevamento e nell'imaging bio-chimici.
Riferimento: "Controllo dinamico dei fronti d'onda terahertz con metasuperfici a cascata" di Xiaodong Cai, Rong Tang, Haoyang Zhou, Qiushi Li, Shaojie Ma, Dongyi Wang, Tong Liu, Xiaohui Ling, Wei Tan, Qiong He, Shiyi Xiao e Lei Zhou, 26 giugno 2021, Fotonica avanzata.
DOI: 10.1117 / 1.AP.3.3.036003
