O controle de frente de onda achromático para banda larga é um requisito fundamental para as tecnologias ópticas de próxima geração, incluindo imagens em cores completas e sensoriamento multiespectral. Pesquisadores liderados pelo Professor Yijun Feng e pelo Professor Ke Chen da Universidade de Nanjing relataram agora um avanço significativo nesta área na PhotoniX. O trabalho deles introduz uma abordagem híbrida de engenharia de dispersão que combina fases geométricas de Aharonov-Anandan (AA) e Pancharatnam-Berry (PB) dentro de uma meta-superfície de camada única. Essa combinação possibilita o controle achromático independente da luz com dois estados de spin diferentes.
A dispersão é uma propriedade fundamental das ondas eletromagnéticas. Enquanto possibilita efeitos úteis dependentes do comprimento de onda, também causa aberrações cromáticas que se tornam mais severas à medida que a largura de banda aumenta. Esses efeitos podem deslocar ângulos de direcionamento, mover pontos focais e reduzir a precisão espacial. As meta-superfícies, que são estruturas planas feitas de arranjos cuidadosamente projetados de metaátomos subcomprimento de onda, oferecem uma maneira poderosa de moldar a luz. No entanto, a maioria dos designs de meta-superfícies achromáticas existentes são limitados na prática a um único canal de spin. Em outros casos, ambos os canais de spin são abordados, mas forçados a compartilhar o mesmo comportamento de dispersão. Como resultado, o controle totalmente independente de fase e atraso de grupo para ambos os spins dentro de um dispositivo compacto tem permanecido difícil, embora seja essencial para sistemas ópticos multicanal e multiplexados.
Combinando Fases Geométricas para Desbloquear o Controle de Duplo Spin
Para superar esse desafio no nível dos metaátomos individuais, os pesquisadores desenvolveram uma estrutura de fase híbrida na qual cada fase geométrica desempenha um papel distinto. Nesse design, a fase AA permite o que a equipe chama de “desbloqueio de spin”, enquanto a fase PB fornece “extensão de fase”. Distribuições de corrente assimétricas dentro de cada metaátomo fazem com que ondas circularmente polarizadas à direita (RCP) e à esquerda (LCP) se reflitam ao longo de caminhos diferentes. Essa separação permite que suas propriedades de fase e dispersão sejam controladas de forma independente.
A equipe então ajustou finamente a força ressonante dos metaátomos para ajustar independentemente o atraso de grupo para cada spin. Ao mesmo tempo, a sintonia de frequência e a rotação estrutural local foram usadas para definir a fase enquanto mantinham a crosstalk indesejada baixa. A fase PB, adicionada através da rotação global, estende o intervalo de fase disponível até um total de 2π sem alterar significativamente o design do atraso de grupo. Juntos, esses elementos criam uma estratégia de design de camada única prática para o controle achromático de duplo spin.
Prova Experimental em Múltiplas Bandas de Frequência
Os pesquisadores demonstraram sua abordagem experimentalmente usando dois tipos de dispositivos operando na faixa de 8-12 GHz. Uma classe consistia de defletores de feixe achromáticos desbloqueados por spin que mantinham o direcionamento estável e dependente do spin ao longo da banda. A outra envolveu metalenses achromáticas que atribuíram diferentes funções de focalização à luz RCP e LCP enquanto preservavam um desempenho forte em uma ampla faixa de frequência.
Além disso, a equipe apresentou designs que aplicam os mesmos princípios na faixa de terahertz de 0,8-1,2 THz. Isso demonstra que o método não está restrito a uma única parte do espectro eletromagnético, mas representa uma estrutura de engenharia de dispersão amplamente aplicável.
Rumo a Sistemas Ópticos Meta mais Versáteis
Esse trabalho avança as meta-superfícies achromáticas além da correção de canal único e para o domínio de meta-óptica de duplo spin totalmente independente. Ao tratar os dois estados de spin como graus de liberdade genuinamente separados, a abordagem possibilita sistemas ópticos compactos com múltiplas funções integradas em um único dispositivo. Olhando para o futuro, a estratégia de design de fase híbrida poderia ser estendida para o intervalo visível para imagens com multiplexação por polarização e óptica integrada de banda larga. Os pesquisadores também observam que métodos de design inverso, incluindo algoritmos genéticos e aprendizado profundo, poderiam ajudar a acelerar a otimização do dispositivo e apoiar a implantação de sistemas no mundo real.
