O controle de frente de onda acromática de banda larga é um requisito fundamental para tecnologias ópticas de próxima geração, incluindo imagens pancromáticas e detecção multiespectral. Pesquisadores liderados pelos professores Yijun Feng e Ke Chen da Universidade de Nanjing relataram agora progressos significativos neste campo FotonX. Seu trabalho introduz uma abordagem de engenharia de dispersão cooperativa de fase mista que combina as geometrias Aharonov-Anandan (AA) e Pancharatnam-Berry (PB) dentro de uma metassuperfície de camada única. Esta combinação permite o controle acromático independente da luz com dois estados de rotação diferentes.
A dispersão é uma propriedade fundamental das ondas eletromagnéticas. Embora possa obter efeitos úteis dependentes do comprimento de onda, também pode levar à aberração cromática, que se torna mais grave à medida que a largura de banda aumenta. Esses efeitos alteram os ângulos de direção, mudam o foco e reduzem a precisão espacial. Metasuperfícies são estruturas planas feitas de arranjos cuidadosamente projetados de metaátomos de subcomprimentos de onda, fornecendo uma maneira poderosa de moldar a luz. No entanto, a maioria dos projetos de metassuperfícies acromáticas existentes são efetivamente limitados a um único canal de rotação. Em outros casos, ambos os canais de spin são resolvidos, mas forçados a compartilhar o mesmo comportamento de dispersão. Portanto, embora seja crucial para sistemas ópticos multicanais e multiplexados, o controle totalmente independente do atraso de fase e de grupo de dois spins dentro de um dispositivo compacto permanece difícil.
Combinando a fase geométrica para desbloquear o controle de giro duplo
Para superar este desafio ao nível do metaátomo único, os investigadores desenvolveram uma estrutura de fases mistas em que cada fase geométrica desempenha um papel único. Neste projeto, a fase AA alcança o que a equipe chama de “desbloqueio de rotação”, enquanto a fase PB fornece “expansão de fase”. A distribuição assimétrica de corrente dentro de cada superátomo faz com que ondas circularmente polarizadas (RCP e LCP) para destros e canhotos reflitam ao longo de caminhos diferentes. Esta separação permite o controle independente de suas propriedades de fase e dispersão.
A equipe então ajustou as forças de ressonância dos metaátomos para ajustar independentemente o atraso do grupo para cada rotação. Ao mesmo tempo, o ajuste de frequência e a rotação da estrutura local são usados para definir a fase, mantendo baixa a diafonia indesejada. A adição da fase PB via rotação global estende a faixa de fase disponível para 2π completo sem alterar significativamente o projeto de atraso do grupo. Juntos, esses elementos criam uma estratégia prática de design de camada única para controle acromático de rotação dupla.
Prova experimental em múltiplas bandas de frequência
Os pesquisadores demonstraram seu método experimentalmente usando dois tipos de dispositivos operando na faixa de 8 a 12 GHz. Uma classe consiste em defletores de feixe acromáticos desbloqueados por rotação que mantêm uma direção estável e dependente da rotação em toda a banda de comprimento de onda. Outro envolve uma metalens acromática, que atribui diferentes funções de foco à luz RCP e LCP, mantendo um forte desempenho em uma ampla faixa de frequência.
Além disso, a equipe também propôs um design que aplica o mesmo princípio na faixa de terahertz de 0,8-1,2 THz. Isto demonstra que o método não está limitado a uma única parte do espectro eletromagnético, mas representa uma estrutura amplamente aplicável para engenharia de dispersão.
Rumo a um sistema meta-óptico mais versátil
Este trabalho leva as metassuperfícies acromáticas além da correção de canal único e para o reino da metaóptica de spin duplo totalmente independente. Ao tratar os dois estados de spin como graus de liberdade verdadeiramente independentes, esta abordagem permite que sistemas ópticos compactos com múltiplas funções sejam integrados em um único dispositivo. No futuro, as estratégias de projeto de fase mista podem ser estendidas à faixa visível para imagens multiplexadas por polarização e óptica integrada de banda larga. Os pesquisadores também observam que métodos de design inverso, incluindo algoritmos genéticos e aprendizado profundo, podem ajudar a acelerar a otimização de dispositivos e apoiar a implantação de sistemas no mundo real.
