El control del frente de onda acromático de banda ancha es un requisito clave para las tecnologías ópticas de próxima generación, incluidas las imágenes a todo color y la detección multiespectral. Investigadores dirigidos por el profesor Yijun Feng y el profesor Ke Chen de la Universidad de Nanjing han informado de un gran avance en este campo. fotonix. Su trabajo introduce un enfoque de ingeniería de dispersión cooperativa de fase híbrida que combina las fases geométricas de Aharanov-Anandan (AA) y Pancharatnam-Berry (PB) en una metasuperficie de una sola capa. Esta combinación permite lograr un control acromático distinto de la luz con dos estados de giro diferentes.
La dispersión es una propiedad fundamental de las ondas electromagnéticas. Si bien esto permite efectos eficaces que dependen de la longitud de onda, también provoca una distorsión del color que se vuelve más grave a medida que aumenta el ancho de banda. Estos efectos pueden cambiar el ángulo de dirección, mover los puntos focales y reducir la precisión espacial. Las metasuperficies, que son estructuras planas hechas de conjuntos cuidadosamente diseñados de metaátomos de longitudes inferiores a las de onda, proporcionan una forma poderosa de dar forma a la luz. Sin embargo, la mayoría de los diseños de metasuperficies acromáticas existentes se limitan en la práctica a un solo canal de giro. En otros casos, se abordan ambos canales de espín pero se les obliga a compartir el mismo comportamiento de dispersión. Como resultado, el control completamente independiente de fase y retardo de grupo para ambos espines dentro de un dispositivo compacto sigue siendo difícil, aunque es esencial para sistemas ópticos multicanal y multiplexados.
Combina fases geométricas para desbloquear el control de doble giro
Para superar este desafío a nivel de metaátomos individuales, los investigadores desarrollaron una estructura de fase híbrida en la que cada fase geométrica desempeña un papel distinto. En este diseño, la fase AA permite lo que el equipo llama “desbloqueo de giro”, mientras que la fase PB proporciona una “extensión de fase”. Las ondas polarizadas circularmente hacia la derecha y hacia la izquierda (RCP y LCP) se reflejan en diferentes caminos debido a la distribución asimétrica de la corriente dentro de cada metaátomo. Esta separación les permite controlar sus propiedades de fase y dispersión de forma independiente.
Luego, el equipo ajustó la energía de resonancia del metaátomo para ajustar de forma independiente el retraso del grupo para cada giro. Al mismo tiempo, se utilizó sintonización de frecuencia y rotación estructural local para establecer la fase manteniendo baja la diafonía no deseada. La fase PB, agregada mediante rotación global, extiende el rango de fase disponible en 2π sin cambiar significativamente el diseño de retardo del grupo. Juntos, estos elementos forman una práctica técnica de diseño de una sola capa para el control acromático de doble giro.
Evidencia experimental en múltiples bandas de frecuencia
Los investigadores demostraron experimentalmente su enfoque utilizando dos tipos de dispositivos en el rango de 8 a 12 GHz. Una clase consta de deflectores de haz acromáticos desbloqueados por giro que mantienen una dirección estable y dependiente del giro a lo largo de la banda. Están involucradas otras metalicidades acromáticas que asignan diferentes funciones de enfoque a la luz RCP y LCP al tiempo que preservan un fuerte rendimiento en un amplio rango de frecuencia.
Además, el equipo presentó diseños que aplican los mismos principios en el rango de 0,8-1,2 THz terahercios. Esto muestra que el método no se limita a una parte del espectro electromagnético, sino que representa un marco de ingeniería de dispersión ampliamente aplicable.
Hacia un sistema metaóptico más versátil
Este trabajo lleva las metasuperficies acromáticas más allá de la rectificación de un solo canal y al ámbito de la metaóptica de doble giro totalmente independiente. Al tratar los dos estados de giro como grados de libertad verdaderamente separados, el enfoque permite sistemas ópticos compactos con múltiples funciones integradas en un solo dispositivo. De cara al futuro, la estrategia de diseño de fase híbrida se puede ampliar al rango visible para imágenes multiplexadas por polarización y óptica integrada de banda ancha. Los investigadores también observaron que los métodos de diseño inverso, incluidos los algoritmos genéticos y el aprendizaje profundo, podrían acelerar la optimización de los dispositivos y ayudar a implementar sistemas en el mundo real.
