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Apr 24, 2023

banda ancha y alta

Informes científicos volumen 13,

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 7454 (2023) Citar este artículo

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Las metasuperficies nano-kirigami han atraído una atención cada vez mayor debido a su facilidad de nanofabricación tridimensional (3D), transformaciones de formas versátiles, capacidades de manipulación atractivas y aplicaciones potenciales ricas en dispositivos nanofotónicos. Mediante la adición de un grado de libertad fuera del plano a los resonadores de doble anillo dividido (DSRR) mediante el uso del método nano-kirigami, en este trabajo demostramos la conversión de polarización lineal de banda ancha y alta eficiencia en la banda de longitud de onda del infrarrojo cercano. Específicamente, cuando los precursores de DSRR bidimensionales se transforman en contrapartes 3D, se logra una relación de conversión de polarización (PCR) de más del 90 % en un amplio rango espectral de 1160 a 2030 nm. Además, demostramos que la PCR de alto rendimiento y banda ancha se puede adaptar fácilmente deformando deliberadamente el desplazamiento vertical o ajustando los parámetros estructurales. Finalmente, como demostración de prueba de concepto, la propuesta se verifica con éxito mediante la adopción del método de fabricación nano-kirigami. El DSRR polimórfico basado en nano-kirigami estudiado imita una secuencia de componentes ópticos discretos a granel con multifunción, eliminando así la necesidad de su alineación mutua y abriendo nuevas posibilidades.

Las metasuperficies nano-kirigami1, que están compuestas por nanoestructuras artificiales polimórficas de sublongitud de onda basadas en métodos de transformación de formas versátiles, no solo brindan un nuevo grado de libertad a la nanofabricación tridimensional (3D) tradicional, sino que también exhiben potenciales extraordinarios en el campo de los hologramas reconfigurables2. 3, vórtices ópticos dependientes de fractales4, metamateriales fanorresonantes5,6,7, inversión del dicroísmo circular8,9, etc. En particular, nano-kirigami1,10,11 podría permitir cambios de forma sofisticados de los precursores bidimensionales (2D) a nanoestructuras deformadas en 3D con desplazamiento vertical, flexión espacial, lo que proporciona un enfoque novedoso para manipular la amplitud, la fase y la polarización de la energía electromagnética. ondas en la región de microescala/nanoescala. En este sentido, la deformación de las estructuras de nano-kirigami ha sido inducida por estímulos externos como la presión neumática12, la compresión mecánica7,13, la polarización electrónica14,15, la actuación magnética16 y la expansión térmica17. Entre ellos, la tensión de tracción inducida por irradiación con haz de iones focalizados (FIB) global se aprueba como una estrategia fácil para inducir cambios estructurales permanentes.

Mientras tanto, debido a la geometría adicional fuera del plano, las geometrías versátiles de nano-kirigami podrían mejorar el rendimiento de las metasuperficies. Por ejemplo, la conversión de polarización exhibe una capacidad espléndida de manipular los estados de polarización en muchos sistemas de investigación científica. Las principales categorías de convertidores de polarización convencionales incluyen cristales ópticos activos, cristales líquidos y el efecto Faraday18,19,20,21,22,23,24,25. Sin embargo, estos dispositivos sufren más o menos de volúmenes voluminosos, baja eficiencia, ancho de banda estrecho, fabricación compleja, etc. Las metasuperficies proporcionan una plataforma ideal para superar estas deficiencias. La polarización de la luz se puede controlar arbitrariamente mediante la ingeniería de metaátomos de las metasuperficies con un grosor inferior a la longitud de onda. Aprovechando las metasuperficies, la banda ancha y el convertidor de polarización de alta eficiencia prometen realizarse con un espesor ultrafino.

Aquí, informamos la generación de la conversión de polarización de banda ancha y alta eficiencia en longitud de onda del infrarrojo cercano mediante el empleo de una metasuperficie nano-kirigami. Al grabar las nanopelículas suspendidas locales, se obtienen metasuperficies con resonadores polimórficos de doble anillo dividido (DSRR) y ricas características físicas. Tanto las simulaciones como los experimentos indican que las metasuperficies DSRR 2D tienen dos bandas estrechas de plasmones de brecha localizados, que se fusionan para formar una conversión de polarización de banda ancha y alta eficiencia en las estructuras DSRR 3D deformadas hacia arriba. El valor de la relación de conversión de polarización (PCR) alcanza más del 90% en el rango de longitud de onda de 1160 a 2030 nm. La conversión de polarización de alta eficiencia y banda ancha demostrada en tales metasuperficies basadas en nano-kirigami podría ser útil para las aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos integrados y ultracompactos.

Nuestro nano-kirigami propuesto se basa en la metasuperficie DSRR clásica, como se ilustra en la Fig. 1. La estructura DSRR anisotrópica es una estructura típica de bucle abierto que se puede deformar con relativa facilidad en comparación con otras geometrías de bucle cerrado. Está compuesto por una película de oro superior de 60 nm de espesor, los soportes cuboides intermedios de SiO2 con un espesor de 300 nm y la capa dieléctrica de Si inferior. Aquí, un sustrato de silicio lo suficientemente grueso puede mejorar la reflexión en longitudes de onda del infrarrojo cercano. El cambio de curvatura continuo de las formas circulares en la nano-rendija central puede provocar una deformación estructural estable. La figura 1 muestra esquemáticamente el principio de funcionamiento en el que las resonancias de las dos bandas estrechas de la estructura 2D se fusionan para formar una conversión de polarización de banda ancha en el caso de una estructura deformada 3D.

Ilustración esquemática de la respuesta de conversión de polarización lineal de banda ancha de las metasuperficies DSRR basadas en nano-kirigami. En el caso de los espectros de PCR, la estructura 2D muestra dos bandas estrechas mientras que la estructura deformada 3D posee conversión de banda ancha y alta eficiencia.

Como se muestra en la Fig. 2a, el metaátomo DSRR planar está diseñado con una rendija de aire en espiral de 60 nm de ancho. El radio interior (r) de la rendija de aire en espiral es de 0,31 μm. El ángulo (α) es de 40° y el periodo (p) es de 0,8 μm. Allí, las respuestas ópticas de las nanoestructuras son simuladas por el software de elementos finitos COMSOL. Las condiciones de contorno periódicas se aplican en el plano xy y la condición de contorno de capa perfectamente adaptada se emplea en el eje z. Bajo x incidencia normal polarizada linealmente (LP), el DSRR planar exhibe dos resonancias ópticas copolarizadas y polarizadas cruzadas bien definidas en la región de longitud de onda del infrarrojo cercano, como se muestra en la Fig. 2b. La reflexión de copolarización Rxx es mucho mayor que la reflexión de polarización cruzada Ryx en un ancho de banda de 1200 a 2200 nm de longitud de onda, como se muestra en la Fig. 2b. Las dos resonancias en la Fig. 2b son causadas por los plasmones de brecha localizados confinados en la rendija de aire en espiral, como se muestra en la Fig. 2c.

Esquema de celdas unitarias de (a) la estructura 2D y (d) las metasuperficies 3D DSRR deformadas. (b) y (e) son los espectros de reflexión de las nanoestructuras 2D y 3D propuestas bajo incidencia normal polarizada x (reflexión polarizada cruzada Ryx, reflexión copolarizada Rxx). De acuerdo con la resonancia de los espectros, trazamos las distribuciones de campo eléctrico en la longitud de onda de 1080, 2020 nm en las figuras (c) y (f).

Al aplicar nuestro modelo de distribución de tensión bicapa previamente desarrollado9, se puede calcular la relación entre la tensión y la altura del DSRR diseñado y se pueden obtener las nanoestructuras deseadas. Al aplicar tensión en la nanoestructura 2D DSRR, la nanoestructura abre la "puerta" a lo largo de la dirección z y provoca la deformación vertical, como se muestra en la Fig. 2d. La altura máxima es de 380 nm. En tal caso, se agrega el grado de libertad fuera del plano de la estructura y se puede usar para sintonizar la resonancia óptica de la estructura. Obviamente, bajo el estado 3D deformado, el Rxx es mucho más pequeño que Ryx en un ancho de banda de 1200 a 2200 nm, como se muestra en la Fig. 2e. Como resultado, la luz incidente normal polarizada en x se convierte eficientemente en su luz polarizada cruzada después de la reflexión. Esto se debe al hecho de que la simetría del espejo se rompe en las estructuras deformadas, lo que da como resultado respuestas ópticas quirales y conduce a cambios en la interacción luz-materia. Mientras tanto, las nanoestructuras 3D interrumpen los modos de resonancia de plasmones localizados originales, y la longitud de onda resonante de las dos resonancias de banda estrecha en la Fig. 2b se superponen y, por lo tanto, amplían la línea espectral. La Figura 2f muestra las distribuciones de campo eléctrico de la nanoestructura estéreo, en la que desaparecen los modos de plasmones de superficie localizados. Aquí, la luz oblicua que incide sobre las nanorendijas producirá luz reflejada con diferentes ángulos de difracción. Para la luz incidente con un ángulo de incidencia oblicuo de menos de 10 grados, los espectros de PCR de las estructuras cambian ligeramente, mientras que un ángulo de incidencia demasiado grande afectó seriamente los resultados (como se muestra en la Fig. S1 complementaria).

Para obtener una comprensión física del principio de conversión de polarización, descomponemos una luz incidente normal Ei de x-LP en dos componentes de Eiu y Eiv en las direcciones u y v, como se muestra en la Fig. 2d.

y la componente eléctrica de la onda reflejada se escribe como

donde ru = rueiφu y rv = rveiφv son los coeficientes de reflexión en las direcciones u y v respectivamente. Debido a la característica anisotrópica de las metasuperficies DSRR, existe una diferencia en la fase de propagación de los componentes en la dirección u y v de la luz polarizada, como Δφ =|φu − φv|. Si las magnitudes y la fase de los coeficientes de reflexión satisfacen la condición ru = rv y Δφ = 180°, la ecuación. (2) se convierte

En nuestro caso, las condiciones para obtener una conversión de polarización eficiente pueden obtenerse mediante una deformación fuera del plano de la estructura.

El PCR se utiliza para evaluar el desempeño del DSRR propuesto, que se define como26,27:

La Figura 3a representa la PCR de la nanoestructura DSRR 2D y la nanoestructura 3D. Es obvio que en el caso 2D hay dos bandas estrechas con valores pico de PCR de 0,67 y 0,75 en las longitudes de onda de resonancia de 1080 y 2020 nm, respectivamente. Mientras tanto, la PCR del estado 2D es muy baja desde longitudes de onda de 1250 a 1750 nm. Muy interesante, para la nanoestructura DSRR deformada en 3D, la PCR es mayor que 0,9 en un amplio rango de longitud de onda de 1200 a 2200 nm.

( a ) Los espectros de PCR y ( b ) las distribuciones Ey correspondientes en el plano xy a los 1500 nm de las metasuperficies 2D y 3D propuestas. ( c ) Relación calculada entre el estrés de precarga y la altura vertical de las nanoestructuras 3D DSRR. Para adquirir los rendimientos optimizados, se exploran las respuestas de PCR de la metasuperficie nano-kirigami 3D con respecto a la variación de (d) altura vertical, (e) radios (r), (f) ángulo medio en radianes (α).

La PCR también se puede entender a partir de la distribución del campo eléctrico de componente y Ey en el plano xy, como se muestra en la Fig. 3b. Se puede ver que Ey presenta simetría impar e incluso sobre el eje v diagonal y el eje u a una longitud de onda de 1500 nm para la nanoestructura 2D DSRR, respectivamente. En tal caso, la Ey en el campo lejano es muy pequeña y, por lo tanto, la PCR es muy baja. Sin embargo, Ey presenta incluso simetría sobre el origen de coordenadas del plano xy a una longitud de onda de 1500 nm para la nanoestructura 3D. Por lo tanto, la Ey en el campo lejano es muy grande y, por lo tanto, la PCR es muy alta.

El rendimiento del 3D DSRR también es sensible a los parámetros y formas geométricas. La Figura 3c muestra la relación entre el estrés de precarga y la altura vertical de las nanoestructuras 3D DSRR. Los resultados en la Fig. 3d muestran claramente que el valor y el ancho de banda de PCR aumentan con la altura. Esto resalta directamente la importancia de los grados de libertad fuera del plano para ajustar la respuesta óptica. En función del barrido de diferentes parámetros r y α mientras se mantiene la altura fija en 380 nm, los resultados de la simulación de las amplitudes y el ancho de banda de PCR reflejados correspondientes se representan en la Fig. 3e,f. Para el DSRR deformado en 3D, aumentar la relación de trabajo de la nanoestructura o reducir el ángulo medio en radianes α es la forma útil de mejorar la PCR y ampliar el ancho de banda. Para el DSRR 2D, los diferentes parámetros estructurales r y α cambian la longitud de onda operativa con una pequeña perturbación de ancho de banda de la conversión de polarización, como se representa en la Fig. S2 de Información complementaria. Con base en estos estudios, elegimos los parámetros de estructura de r = 310 nm y α = 40 ° para la preparación experimental.

Para demostraciones experimentales, el metaátomo DSRR individual se puede formar directamente mediante el uso de la irradiación de haz de iones enfocados (FIB) de dosis alta, como se muestra en la Fig. 4a. Después del proceso de grabado húmedo, la capa intermedia de SiO2 se elimina para formar la matriz DSRR 2D suspendida localmente. La Figura 4b muestra las imágenes SEM de la matriz 2D DSRR bajo los ángulos de visión de 0° y 45°. El tamaño total de la metasuperficie fabricada es de 25 μm × 25 μm. Posteriormente, la irradiación FIB de baja dosis global se emplea para deformar los patrones 2D en metasuperficies 3D mediante el principio nano-kirigami1,9,10. La Figura 4c, d muestra el individuo y las metasuperficies de DSRR deformado en diferentes situaciones. Se puede ver que las nanoestructuras fabricadas experimentalmente están en buen acuerdo con las estructuras diseñadas teóricamente.

La demostración experimental de la nanoestructura DSRR simulada. ( a ) y ( c ) Imágenes esquemáticas y SEM de la celda unitaria de ( a ) DSRR 2D y ( c ) 3D vistas en ángulos de perspectiva de 0 ° y 45 °, respectivamente. ( b ) y ( d ) imágenes SEM de las correspondientes metasuperficies nano-kirigami deformadas en 2D y 3D bajo diferentes ángulos de visión en perspectiva. Barras de escala: 1 μm.

La luz LP para la medición se puede obtener agregando un polarizador lineal detrás de la fuente de luz y frente a la muestra, como se muestra en la Fig. S3 de Información complementaria. La polarización incidente de la fuente de luz se establece a lo largo de la dirección x. Otro polarizador lineal se coloca en el camino óptico de detección a lo largo de la dirección x (y) para medir la señal reflejada copolarizada (contrapolarizada) Rxx (Ryx). Para la metasuperficie 2D, los resultados de las mediciones experimentales y las simulaciones teóricas se muestran en la Fig. 5a, b, respectivamente. El espectro medido experimentalmente es básicamente consistente con la simulación teórica. La Fig. 5a muestra que Rxx medido experimentalmente es mayor que Ryx en todo el rango espectral. Como se muestra en la Fig. 5a, Ryx está cerca de 0. Por lo tanto, se puede concluir que la PCR es muy baja para las metasuperficies 2D. La Fig. 5c, d son los resultados de los DSRR 3D. Se puede ver que el Ryx medido experimentalmente es mayor que Rxx en todo el rango espectral. La reflexión de polarización cruzada de banda ancha se produce en longitudes de onda de 1000 a 2200 nm. En tal caso, la conversión de polarización de banda ancha y alta eficiencia se logra en la región de longitud de onda del infrarrojo cercano con la ayuda de la deformación fuera del plano del DSRR. La ligera diferencia entre la medición (Fig. 5c) y la simulación (Fig. 5d) se debe principalmente a la pérdida de material posiblemente inducida por la implantación de iones Ga+. Después de la irradiación con FIB, el área irradiada se modifica ligeramente con respecto a la rugosidad de la superficie y el índice de refracción, lo que afecta las propiedades ópticas en comparación con los parámetros del material ideal en las simulaciones28. Tales metasuperficies con conversión de polarización de banda ancha evitan el complicado proceso de fabricación de nanofabricación multicapa y ofrecen grandes valores en los dispositivos de control de polarización29,30,31,32,33,34,35.

Comparación entre resultados experimentales y teóricos. (a), (c) Espectros medidos y (b), (d) simulados de las metasuperficies DSRR 2D y 3D en las inserciones, respectivamente, bajo excitación de luz polarizada x.

En este trabajo, hemos utilizado metaátomos DSRR para realizar una conversión de polarización lineal de banda ancha y alta eficiencia en la banda de longitud de onda del infrarrojo cercano basada en el principio de nano-kirigami. La metasuperficie 2D fabricada exhibe dos bandas de resonancia con polarización de reflexión ortogonal a la dirección de polarización incidente, que son causadas por plasmones superficiales localizados en espacios. La deformación fuera del plano de los DSRR 3D después de que el nano-kirigami ajuste las respuestas de los plasmones superficiales localizados. Como resultado, las bandas de operación se convierten en banda ancha para la reflexión de polarización cruzada, con alta eficiencia en la región de longitud de onda del infrarrojo cercano bajo incidencia LP. La PCR es más del 90 % en el rango de longitud de onda de 1160 a 2030 nm (147–256 THz) en el caso de la estructura 3D, lo cual es ventajoso en comparación con otros convertidores de polarización de banda ancha informados en36,37,38,39,40 (ver Tabla 1 de Información Complementaria). Obviamente, la demostración de prueba de concepto se verifica con éxito mediante la adopción del método de fabricación nano-kirigami. Las nanoestructuras DSRR polimórficas derivan en una metasuperficie novedosa que es posible reemplazar los componentes ópticos a granel con configuraciones optoelectrónicas ultracompactas e integradas. Por ejemplo, las metasuperficies reconfigurables podrían realizarse fácilmente mediante la introducción de un voltaje de polarización entre el metal superior y el sustrato conductor inferior, lo que puede generar una fuerza electrostática para ajustar dinámicamente la altura de la deformación hacia abajo (consulte la Figura S4 de Información complementaria). Con el aumento de los voltajes de polarización externos, la longitud de onda de los modos de resonancia se puede ajustar y, en tal caso, la longitud de onda de operación y la PCR de la conversión de polarización se pueden diseñar dinámicamente.

Todos los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles en el artículo o de los autores correspondientes previa solicitud razonable.

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Descargar referencias

Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China bajo Grant (61975016, 12204041); Proyecto de Ciencia y Tecnología de Guangdong (2020B010190001); Fundación de Ciencias Naturales del Municipio de Beijing (1212013 y Z190006); Fundación de Ciencias Postdoctorales de China bajo subvención (2021M700436). Los autores agradecen al Centro de Análisis y Pruebas del Instituto de Tecnología de Beijing por la asistencia en las instalaciones de la FIB y los debates útiles.

Laboratorio clave de arquitectura y medición cuántica optoelectrónica avanzada (Ministerio de Educación), Laboratorio clave de nanofotónica y sistemas optoelectrónicos ultrafinos de Beijing, Escuela de Física, Instituto de Tecnología de Beijing, Beijing, 100081, China

Xing Liu, Xiaochen Zhang, Weikang Dong, Qinghua Liang, Chang-Yin Ji y Jiafang Li

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XL concibió los experimentos y escribió el borrador original, XL, XZ, WD y QL realizaron los experimentos y analizaron los resultados, CJ y JL modificaron el manuscrito. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia con Chang-Yin Ji o Jiafang Li.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Liu, X., Zhang, X., Dong, W. et al. Conversión de polarización de banda ancha y alta eficiencia con una metasuperficie basada en nano-kirigami. Informe científico 13, 7454 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34590-1

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Recibido: 28 de marzo de 2023

Aceptado: 04 mayo 2023

Publicado: 08 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34590-1

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