Simultaneous and independent control of amplitude, phase, and polarization of the optical wave by double phase meta-hologram using dielectric meta-atom

使用介电元原子通过双相元全息图同时独立地控制光波的幅度、相位和偏振

基本信息

批准号：
21H01838
负责人：
志村努
金额：
$ 11.15万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

2重位相Siメタ表面の設計を行い、振幅・位相・偏光が任意に変調可能であることを示した。数値シミュレーションには、RCWAアルゴリズムを用いた。形状の異なる2個のメタ原子をペアとして、これを周期的に無限に敷き詰めた条件で、計算を行った。振幅は規格化した上で０～１の間で、位相は０～2π、偏光はすべての状態（任意の楕円偏光）を取りうることを確認した。この設計に基づき、メタ原子の作製を行った。電子ビームリソグラフィーを用い、SiO2基板にSiのメタ原子を作製した。1辺が100 nm程度以上のサイズの場合には、設計通りのメタ原子が作成できたが、100 nm以下の場合には設計値通りのサイズとは大きく異なる、あるいは、形状が大きく崩れてしまう結果となった。これは現状で我々が使用できる電子ビームリソグラフィー装置の性能の限界からくるものであり、今後はより微細な加工ができる装置の使用を検討する。同時に、メタ原子のサイズを100 nm以上に制限した上で、メタ表面の設計を行うことも今後の課題である。以上とともに、作製したメタ表面の光波の変調特性を計測するための干渉計による計測システムを構築した。これにより、変調された光波の振幅、位相、偏光状態の計測が可能となった。設計通りに作製できた、比較的サイズの大きなメタ原子によるメタ表面では、数値シミュレーション結果を再現する測定結果が得られた。今年度の研究により、少なくともわれわれの提案した2重位相メタホログラムの原理が有効であることが確認できたことが今年度の最大の成果である。

我们设计了双相硅超表面，并表明其振幅、相位和偏振可以任意调制。数值模拟采用RCWA算法。计算是在不同形状的元原子对周期性且无限排列的条件下进行的。我们确认振幅可以在 0 到 1 之间归一化，相位可以是 0 到 2π，偏振可以是所有状态（任何椭圆偏振光）。基于这个设计，我们制造了一个元原子。我们使用电子束光刻技术在 SiO2 基底上制造了 Si 元原子。当一侧的尺寸约为100 nm或更大时，元原子按照设计创建，但是当其小于100 nm时，尺寸与设计值显着不同，或者形状大大扭曲。结果。这是由于我们目前可用的电子束光刻设备的性能有限，未来我们会考虑使用能够进行更精细加工的设备。同时，未来的挑战是设计超表面，同时将超原子的尺寸限制在 100 nm 或更大。除此之外，我们还构建了一个使用干涉仪的测量系统来测量光波在制造的超表面上的调制特性。这使得测量调制光波的振幅、相位和偏振态成为可能。对于按设计制造的由相对较大的元原子制成的超表面，获得了再现数值模拟结果的测量结果。今年研究的最大成果是我们能够证实至少我们提出的双相元全息图的原理是有效的。