Shape dependent conformable holographic metasurfaces

Funding: European Research Council - 819346; Engineering and Physical Sciences Research Council - EP/V029975/1; Royal Society - URF\R\211033.In this paper, the design, fabrication, and experimental demonstration of conformable holographic metasurfaces are reported. Here, it is shown that the produced holographic image changes as the metasurface is applied to targets with different shapes. The demonstration is based on a reflective type metasurface, where the reflected polarization is perpendicular to that of the incident light. In addition, how the parameters of the metasurface determine the quality of the images produced and the ability to produce independent images are discussed critically.Publisher PDFPeer reviewe

Recent advances in optical metasurfaces for polarization detection and engineered polarization profiles

Like amplitude, phase and frequency, polarization is one of the fundamental properties of light, which can be used to record, process and store information. Optical metasurfaces are ultrathin inhomogeneous media with planar nanostructures that can manipulate the optical properties of light at the subwavelength scale, which have become a current subject of intense research due to the desirable control of light propagation. The unprecedented capability of optical metasurfaces in the manipulation of the light’s polarization at subwavelength resolution has provided an unusual approach for polarization detection and arbitrary manipulation of polarization profiles. A compact metasurface platform has been demonstrated to detect polarization information of a light beam and to arbitrarily engineer a polarization profile that is very difficult or impossible to realize with conventional optical elements. This review will focus on the recent progress on ultrathin metasurface devices for polarization detection and realization of customized polarization profiles. Optical metasurfaces have provided new opportunities for polarization detection and manipulation, which can facilitate real-world deployment of polarization-related devices and systems in various research fields, including sensing, imaging, encryption, optical communications, quantum science, and fundamental physics

Numerical techniques for Fresnel diffraction in computational holography

Optical holography can produce very realistic virtual images due to its capability to properly convey the depth cues that we use to interpret three-dimensional objects. Computational holography is the use of digital representations plus computational methods to carry out the holographic operations of construction and reconstruction. The large computational requirements of holographic simulations prohibit present-day existence of real-time holographic displays comparable in size to traditional two-dimensional displays. Fourier-based approaches to calculate the Fresnel diffraction of light provide one of the most efficient algorithms for holographic computations because this permits the use of the fast Fourier transform (FFT). The limitations on sampling imposed by Fourier-based algorithms have been overcome by the development, in this research, of a fast shifted Fresnel transform. This fast shifted Fresnel transform was used to develop a tiling approach to hologram construction and reconstruction, which computes the Fresnel propagation of light between parallel planes having different resolutions. A new method for hologram construction is presented, named partitioned hologram computation, which applies the concepts of the shifted Fresnel transform and tiling

단층 메타표면을 통한 전 공간 광 위상 제어

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 전기·정보공학부, 2021.8. 이병호.메타표면은 다양한 주파수 영역에서 빛의 전자기적 특성을 자유롭게 조절할 수 있다는 고유한 능력 덕분에 많은 관심을 받았습니다. 최근 반도체 공정의 발전에 힘입어, 메타표면을 통해 가시광선 대역에서 기존의 광학 장치를 능가하는 전례 없는 독특하고도 성능이 월등한 광 제어가 제안되었습니다. 또한 메타표면은 평면형 폼 팩터라는 장점까지 있으므로 사용될 경우 전체 광학 시스템에서 무게 및 부피를 줄일 수 있는 미래형 광학 소자로 여겨집니다. 현재의 웨어러블 기기와 스마트 기기는 더 가볍고 더 나은 광학 부품을 필요로 한다는 점을 감안할 때 미래의 광학 기기에 대해 메타표면이 없이 이야기할 수 없다고 해도 과언이 아닙니다. 이와 관련하여 이 박사 논문에서는 투과 및 반사 공간을 모두 제어하도록 설계된 독특한 메타 표면을 제시합니다. 투과 또는 반사된 빛만 고려하는 기존의 메타 표면과 비교하여 제안된 플랫폼은 메타 표면의 정보 용량을 전체 공간으로 향상시킵니다. 이는 메타표면 설계와 시스템 설계에서도 새로운 패러다임을 제공할 수 있음을 의미합니다. 직관적인 관점과는 달리 단층 및 단순한 구조로 제작된 메타 표면을 통해 전 공간으로 산란되는 광 제어, 특히 그 중에서도 파면 조절을 위한 위상 제어를 할 수 있도록 설계되었습니다. 이 논문에서는 총 세 가지 유형의 메타 표면이 제안안됩니다. 첫 번째로, 메타표면에 빛이 입사하였을 때에 투과 및 반사되는 빛을 동시에 조절할 수 있는 플랫폼이 제안되었습니다. 물리적인 기반으로서 Multipole interference 및 Pancharatnam–Berry 위상을 통해 어떤 원리로 이것이 가능한 지 설명되었습니다. 기능 검증의 예시로 비대칭적으로 빔이 꺾이는 현상과 투과 및 반사 공간에 서로 다른 홀로그램을 생성하는 현상을 실험적으로 측정하였습니다. 알려진 한, 이것은 가시 광선 대역에서 독립적 위상 제어를 달성한 최초의 연구입니다. 두 번째로, L 자형 메타 원자로 구성된 메타 표면 플랫폼이 제시됩니다. L자 메타 표면은 이전 챕터의 플랫폼처럼 Pancharatnam-Berry 위상에 의해 작동하도록 설계되었으며 투과 및 반사 방향으로 서로 다른 위상 값을 전달합니다. 또한 입사되는 빛이 원 편광일 때에 그 스핀 방향을 바꾸면 투과와 반사 공간 쪽으로 전달되는 위상이 서로 반전되도록 설계되었습니다. 이는 이전에 제안된 적이 없는 새로운 형태의 광 조절 플랫폼이라는 점에서 의미가 있습니다. 이 역시 공정 및 실험을 통한 검증을 전과 같은 방법으로 진행했습니다. 마지막으로 임의의 편광 짝을 지정하였을 때, 입사되는 편광에 따라서 투과될 지 반사될 지 사용자가 결정할 수 있는 메타표면 플랫폼이 제안되었습니다. 직사각형 나노 기둥이 메타 원자로 활용되었는데, 이를 사용하여 어떠한 편광 짝에 대해서도 원하는 동작이 가능하도록 설계되었습니다. 설계된 투과형 메타표면을 기반으로 하여, 임계각 조건에서 유도 반사되는 현상을 활용해 한 쪽 편광에서만 반사형 동작을 유도하여 제안된 동작을 실현했습니다. 제안된 방식으로는 편광 짝을 마음대로 선택할 수 있으므로, 선 편광, 원 편광, 타원 편광에 대해 동작할 수 있는 서로 다른 세 가지 샘플을 제작하여 실험적으로 검증도 마쳤습니다. 결론적으로 제안된 메타표면 플랫폼을 통해서 기존 광학 장치로 불가능한 제어 방법을 제안하였으며, 전 공간으로 메타표면의 정보량을 늘렸습니다. 양면형 메타표면을 통해서 새로운 광학 시스템의 패러다임이 제안될 수 있으며, 다기능성 측면에서도 새로운 연구로 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다.Metasurfaces have received enormous attention thanks to their unique ability to modulate electromagnetic properties of light even in various frequency regimes. In recent years, exploiting their potentials of fabrication ease and modulation strength, unprecedented and unique controlling of light that surpasses conventional optical devices has been suggested so far. They are providing new paradigm for optical system thanks to not only their planar form factor, but their outgoing ability of light control compared to the bulk optic components. Considering that the current wearable devices and smart devices require lighter and better optical devices, it is no exaggeration to say that we cannot talk about future optical devices without them. In this regard, this dissertation presents the metasurfaces designed to control the phases at both the transmission and reflection spaces. Compared to the conventional metasurfaces that consider only transmitted or reflected light from metasurfaces, this proposed platform enhances the information capacity of metasurface into full-space. Therefore, it can be regarded as a new paradigm in metasurface design and system design as well. Contrary to the intuitive point of view, it is designed to independently control the scattered light in full-space, especially the phase of light imparted into two spaces, with a single layer and a simple structured metasurface. In this dissertation, total three platforms are introduced. Firstly, a novel metasurface that enables full-space light control is realized, offering an unconventional functionality that provides a new foothold for metasurface integration in optics. Multipolar interference and Pancharatnam–Berry phase are combined with each other and suggested as a physical background for the proposed device. As an example of the functionality, asymmetric beam steering and hologram generation are proposed and measured experimentally. To author’s knowledge, this is the first work achieving independent phase control of full-space in visible range. Secondly, a metasurface platform consisting of interleaved L-shaped meta-atoms is presented. Basically, this metasurface is designed to operate by Pancharatnam-Berry phase (controlled by incident circularly polarized light) as above and transmits different phase values in the transmission and reflection directions. In addition, when the polarization handedness of the incident light is altered, the phases transmitted in each direction are designed to reverse each other, which, to author’s knowledge, has never been proposed before. Finally, the author presents a design method that enables polarization-dependent full-space control, in which two independent and arbitrary phase profiles can be addressed to each space. Upon introducing a phase gradient value to realize the critical angle condition, conversion of transmissive into reflective operation is realized. Then, rectangular nanopillars are utilized to facilitate polarization beam splitting with the desired phase. Three samples were fabricated and measured based on the proposed scheme. In conclusion, this full-space control is meaningful in three ways: 1) it showed an unprecedented control method that is possible only through metasurfaces, 2) increased the amount of information that metasurfaces can have, and 3) showed potential for future optical devices through new control.Chapter 1 Introduction 1 1.1 Overview of metasurfaces for optical modulation 1 1.2 Motivation of this dissertation: metasurface for full-space control 4 1.3 Scope and Organization 9 Chapter 2 Simultaneous full-space visible light control 12 2.1 Introduction 12 2.2 Metasurface design 15 2.2.1 Design strategy and numerically calculated results 15 2.2.2 Determined structure and numerical demonstration 19 2.3 Experimental demonstration 27 2.3.1 Experimental setup and fabrication 27 2.3.2 Asymmetric beam deflection 30 2.3.3 Asymmetric hologram generation 34 2.4 Conclusion 37 Chapter 3 Polarization dependent space conversion with L-shaped meta-atom 38 3.1 Introduction 38 3.2 L-shaped meta-atom for space conversion 40 3.3 Simulation results 46 3.3.1 determined parameters and multipole decomposition 46 3.3.2 Polarization-dependent phase behavior of LSMA 51 3.4 Experimental demonstration 54 3.4.1 Unit cell determination 54 3.4.2 Hologram generation and beam deflection using LSMA 57 3.5 Conclusion 61 Chapter 4 Switching modulated space by arbitrary polarization pair 62 4.1 Introduction 62 4.2 Basic metasurface design 64 4.3 Phase gradient metasurface for reflective operation 70 4.4 Experimental demonstration 79 4.5 Conclusion 87 Chapter 5 Conclusion 89 Bibliography 94 Appendix 101박