Electro-optic metasurfaces for free-space light modulation

Udviklingen af yderst effektive og ultrahurtige dynamiske optiske metaoverflader vil åbne for en lang række af anvendelsesmuligheder indenfor teknologier såsom spatial lysmodulering, lysdetektion og afstandsmåling og virtual og augmented reality systemer. Denne ph.d.-afhandling præsenterer undersøgelser af dynamiske optiske metaoverflader til intensitetsmodulering af frit udbredende lys. De eksperimentelt realiserede metaoverflader er baseret på en platform bestående af en tynd film af lithiumniobat, som tilbyder meget hurtige skiftetider, når man udnytter den elektro-optiske Pockels-effekt. Hver metaoverflade er optimeret for maksimal effektivitet ved hjælp af numeriske metoder og derefter fremstillet ved hjælp af elektron-stråle litografi og tyndfilmsdeponeringsteknikker.

Afhandlingen præsenterer design, optimering, fremstilling og karakterisering af tre dynamiske optiske metaoverflader, som udnytter forskellige resonante konfigurationer. Hver enhed karakteriseres af dens optiske og elektrooptiske respons ved hjælp af optiske spektroskopiske teknikker. Indledningsvis udnytter vi hybridiseringen af en Fabry-Perot resonans og den resonante excitation af en tvær-magnetisk bølgeguide tilstand. For det andet udfører vi grundige undersøgelser af de optiske tilstande, der understøttes af lithiumniobattyndfilmen, og vi øger den eksperimentelt opnåede moduleringsdybde ved at udnytte en tvær-elektrisk bølgeguide-tilstand i stedet. Til den tredje metaoverflade benytter vi en lithiumniobat-tyndfilm med større tykkelse, og vi introducerer båndgabseffekter i den ikke-lokale interaktion med bølgeledertilstandene.
Derved introducerer vi også quasi-bound states in the continuum. Med denne konfiguration demonstrerer vi rekordhøj effektivitet af metaoverflade modulatoren sammenlignet med andre enheder baseret på en lignende materialeplatform. Endelig undersøges en metode analytisk og numerisk til implementering af ikke-reciprok propagationsadfærd baseret på de opnåede resultater for vores metaoverflade modulator. Afhandlingen konkluderer, at yderst effektive og ultrahurtige optiske metaoverflader kan føre til den succesfulde realisering af unikke optiske funktionaliteter baseret på rummelig og tidslig kontrol af optiske felter.