(a) и (b) Изображения, полученные с помощью оптического микроскопа, на которых изображены образец с дефектами и образец без дефектов. (c) и (d) Экспериментально измеренные распределения оптического поля для образца с дефектами и образца без дефектов. Фазовое распределение, волновая аберрация и коэффициенты расширения Цернике проиллюстрированы для образца с дефектами на (e)-(g) и для образца без дефектов на (h)-(j). Кредит: Боуэн Лю и др.
Металинза — это своего рода оптическая метаповерхность, состоящая из метаатомов для управления амплитудой, фазой и поляризацией входящего света. В отличие от традиционных рефракционных линз, металинза может модулировать волновой фронт от плоскости до сферической на границе раздела. Она привлекла всеобщее внимание благодаря своим новым физическим свойствам и многообещающим потенциальным приложениям.
Как фазомодулированный оптический функциональный компонент, распределение фазы является ключевым параметром металинзы. Однако в оптическом диапазоне частот напрямую измерить распределение фазы затруднительно. Вместо измерения фазы основные методы измерения характеристик металинз в настоящее время включают сканирование светового поля и электронную микроскопию. Однако эти методы напрямую не обеспечивают фазовый отклик металинзы.
В новой статье, опубликованной в журнале Light: Science & ApplicationsГруппа PBG в Университете Фудань в сотрудничестве с Городским университетом Гонконга и Университетом Цинхуа разработала новый метод фазовой характеристики металинз, основанный на многорасстоянном восстановлении фазы посредством оптического сканирования поля. Этот инновационный метод успешно преодолевает ограничения традиционных интерферометрических методов, которые полагаются на длину когерентности источника света и стабильность оптического пути.
Используя этот метод, исследовательская группа количественно измерила фазовое распределение металинзы ближнего инфракрасного диапазона и впервые успешно наблюдала изменения фазы, вызванные изменениями в рабочей среде металинз.
Система восстановления фазы на нескольких расстояниях может измерять распределение интенсивности, транслируя весь оптический путь. Измеряя ряд равномерно распределенных распределений интенсивности оптического поля, начиная с поверхности образца и вводя их в итерационный алгоритм, мы можем определить распределение фазы образца. Этот метод подходит для фазовой характеристики металинз с различными принципами конструкции, рабочими длинами волн и рабочими средами.
(a) Распределение фазы, (b) развернутое распределение фазы в центре образца и (c) волновая аберрация металинзы, работающей в этаноле (слева) и воздухе (справа). Кредит: Боуэн Лю и др.
«По сравнению с другими методами фазовой характеризации металинз наша система имеет следующие преимущества: в отличие от внеосевой цифровой голографии, наша система свободна от ограничений длины когерентности источника света.
«Кроме того, наша система не требует построения сложных оптических путей, что делает ее более экономически эффективной. По сравнению с датчиками волнового фронта, нашей системе не нужно вводить дифракционную решетку для разделения света, что приводит к более высокому использованию энергии и избеганию влияния морфологии решетки», — объясняют исследователи.
«Используя вышеупомянутый метод, мы провели фазовые измерения и анализ погрешности волнового фронта на наборе металинз ближнего инфракрасного диапазона, работающих на длине волны 1560 нм. Один образец показал дефекты во время обработки и хранения, в частности, проявившиеся в виде грязи и царапин на поверхности. После измерения фазы и расчета погрешности волнового фронта мы определили влияние дефектов на фазу и вычислили соответствующие коэффициенты Цернике».
Мы измерили фазовое распределение одного и того же образца при погружении как в воздух, так и в этанол. Из-за изменения рабочей среды фазовое распределение металинзы показало значительные изменения.
По сравнению с его фазовым распределением на воздухе, образец продемонстрировал заметные скачки фазы при погружении в этанол. Это указывает на то, что фазовая модуляция некоторых метаатомов изменяется в разных средах.
Это первый случай, когда были обнаружены изменения фазовой модуляции металинзы из-за изменений в рабочей среде. Это открытие дает новую перспективу для понимания оптического поведения металинз в разных средах и предлагает важные идеи для будущего проектирования и применения металинз.
Дополнительная информация: Боуэн Лю и др., Характеристика фазы металинзы с помощью многорасстоянного восстановления фазы, Свет: наука и приложения (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01530-1
Информация о журнале: Light: Science & Applications
Предоставлено Китайской академией наук
