Caracterização de fase de metalenses por recuperação de fase multidistância

Metalens é um tipo de metassuperfície óptica composta de metaátomos para manipular a amplitude, fase e polarização da luz incidente. Ao contrário das lentes refrativas tradicionais, metalens pode modular a frente de onda de plana para esférica em uma interface. Ela atraiu ampla atenção devido às suas novas propriedades físicas e aplicações potenciais promissoras.

Como um componente funcional óptico modulado em fase, as distribuições de fase são o parâmetro-chave do metalens. No entanto, na banda de frequência óptica, é difícil medir a distribuição de fase diretamente. Em vez de medir a fase, os métodos de medição convencionais para caracterizar o metalens atualmente envolvem varredura de campo de luz e microscopia eletrônica. No entanto, esses métodos não fornecem diretamente a resposta de fase do metalens.

Em um novo artigo publicado em Luz: Ciência e Aplicaçõeso PBG Group na Universidade de Fudan, em colaboração com a City University of Hong Kong e a Tsinghua University, tem um novo método de caracterização de fase para metalens baseado em recuperação de fase multidistância por meio de varredura de campo óptico. Este método inovador supera com sucesso as limitações das técnicas interferométricas tradicionais, que dependem do comprimento de coerência da fonte de luz e da estabilidade do caminho óptico.

Usando esse método, a equipe de pesquisa mediu quantitativamente a distribuição de fase de uma metalense no infravermelho próximo e, pela primeira vez, observou com sucesso as mudanças de fase induzidas por mudanças no meio de trabalho da metalense.

O sistema de recuperação de fase multidistância pode medir a distribuição de intensidade traduzindo todo o caminho óptico. Medindo uma série de distribuições de intensidade de campo óptico igualmente espaçadas a partir da superfície da amostra e inserindo-as em um algoritmo iterativo, podemos determinar a distribuição de fase da amostra. Este método é adequado para caracterização de fase de metalens com diferentes princípios de design, comprimentos de onda operacionais e meios de trabalho.

“Comparado a outros métodos de caracterização de fase para metalens, nosso sistema tem as seguintes vantagens: diferentemente da holografia digital fora do eixo, nosso sistema é livre das restrições do comprimento de coerência da fonte de luz.

“Além disso, nosso sistema não requer a construção de caminhos ópticos complexos, o que o torna mais econômico. Comparado aos sensores de frente de onda, nosso sistema não precisa introduzir uma grade de difração para dividir a luz, resultando em maior utilização de energia e evitando a influência da morfologia da grade”, explicam os pesquisadores.

“Usando o método acima mencionado, conduzimos medições de fase e análise de erro de frente de onda em um conjunto de metalenses de infravermelho próximo operando em um comprimento de onda de 1560 nm. Uma amostra exibiu defeitos durante o processamento e armazenamento, manifestando-se especificamente como sujeira e arranhões na superfície. Após medir a fase e calcular o erro de frente de onda, determinamos o impacto dos defeitos na fase e calculamos os coeficientes de Zernike correspondentes.”

Medimos a distribuição de fase da mesma amostra quando imersa em ar e etanol. Devido à mudança no meio de trabalho, a distribuição de fase dos metalens exibiu alterações significativas.

Comparado à sua distribuição de fase no ar, a amostra apresentou saltos de fase perceptíveis quando imersa em etanol. Isso indica que a modulação de fase de alguns meta-átomos muda em diferentes meios.

Esta é a primeira vez que mudanças na modulação de fase de metalenses devido a variações no ambiente de trabalho foram observadas. Esta descoberta fornece uma nova perspectiva para entender o comportamento óptico de metalenses em diferentes meios e oferece insights importantes para o futuro design e aplicação de metalenses.