Dielectric phase gradient metasurfaces for classical and quantum optics applications
Métasurface à gradient de phase diélectrique pour les applications d'optique classique et quantique
Résumé
In recent years, various optical functionalities have been demonstrated using metasurfaces which have attracted tremendous attention. Metasurfaces being diffractive optical components, show greater flexibility, including compactness, lightweight, arbitrary wavefront addressing capabilities exceeding those of refractive optical components. However, in terms of efficiency refractive components perform better and further optimization is required for metasurfaces in this direction. Considering this, here we design hybrid optical devices to combine the advantages of both the components. First, it is demonstrated how the dispersion of a simple optical element such as a prism can be mitigated using a metasurface. By employing phase gradient metasurfaces, the outgoing wavevectors can be controlled and hence the diffractive dispersion of metasurface. Utilizing this property, metasurfaces with relatively small phase gradients are designed and prism dispersion mitigation is experimentally demonstrated. Extending the same principle to lenses, metasurface to correct for lens chromatic aberration is designed in the wavelength range of 550-800nm. Also, it is shown that monochromatic aberration such as spherical aberration can also be corrected by designing an appropriate phase gradient for the metasurface. Analytical calculations, large area metasurface fabrication and comprehensive experimental characterization are done to demonstrate aberration correction of commercially available lenses. These developments are promising for future compact imaging systems. Realizing the potential of metasurfaces in classical optics, they are also used for Quantum optics applications. However, only a few works have been done in this direction. Hong Ou Mandel experiment, which is one of the basic experiments of Quantum optics, demonstrates quantum interference. Here, we propose to modify the original setup by replacing the beam splitter with a phase gradient metasurface. A novel metasurface is designed for this purpose called ‘Dual Gradient Metasurface’ which imparts additional functionality along with the beam splitter functionality. The nanofabrication of the metasurface is optimized to realize 50/50 transmission in the two diffracted orders to imitate a beam splitter. The superior control that metasurfaces offer over the phase, polarization and amplitude of light can be quite beneficial for manipulating the quantum states of light. This opens doors for harnessing the potential of metasurface for quantum technologies.
Ces dernières années, les diverses fonctionnalités optiques démontrées à l'aide de métasurfaces ont attiré une attention considérable. Les métasurfaces étant des composants optiques diffractifs, présentent une plus grande flexibilité. Ces dispositifs sont notamment plus compacts, plus légers et plus fonctionnels par rapport aux composants optiques réfractifs. Cependant, en termes d'efficacité, les composants réfractifs fonctionnent mieux et il est donc nécessaire d‘optimiser les performances des métasurfaces pour assurer leur utilisation et implémentation dans des dispositifs optiques. Compte tenu de cela, nous concevons des dispositifs optiques hybrides pour combiner les avantages des deux composants. Tout d'abord, il est démontré comment la dispersion d'un élément optique simple tel qu'un prisme peut être atténuée à l'aide d'une métasurface. En utilisant des métasurfaces à gradient de phase, les vecteurs d'onde sortants peuvent être contrôlés à l’aide de la dispersion diffractive de la métasurface. Nous avons réalisé des métasurfaces avec gradients de phase relativement petits afin de démontrer expérimentalement l’effet d’atténuation de la dispersion du prisme. Étendant le même principe aux optiques focalisantes, nous avons également conçue des métasurfaces pour corriger les aberrations chromatiques dans la plage de longueurs d'onde de 550 à 800 nm. De plus, il est montré qu'une aberration monochromatique telle qu'une aberration sphérique peut également être corrigée en ajoutant au front d’onde sortant un gradient de phase approprié à l’aide de métasurfaces. Nous montrons également des résultats théoriques et expérimentaux sur la realization de métasurface de grande surface, incluant les caractérisations expérimentales completes, pour démontrer la correction d'aberration d’une lentille disponible dans le commerce. Ces résultats sont très prometteurs notamment pour leurs utilisations dans des systèmes d'imagerie compacts.Ayant démontré le potentiel des métasurfaces pour l'optique classique, nous nous sommes ensuite intéressé à leur utilization pour des applications en optique quantique. L'expérience de Hong Ou Mandel, qui est l'une des expériences de base de l'optique quantique, démontre l'interférence quantique. Ici, nous proposons de modifier la configuration d'origine en remplaçant le séparateur de faisceau par une métasurface à gradient de phase. Une nouvelle métasurface est conçue à cet effet, appelée «métasurface à double gradients», qui confère des fonctionnalités supplémentaires ainsi que la fonctionnalité de séparateur de faisceau sur des états de polarisations mixtes. La nanofabrication de la métasurface est optimisée pour réaliser une transmission 50/50 dans les deux ordres diffractés pour imiter un séparateur de faisceau. Le contrôle supérieur qu'offrent les métasurfaces sur la phase, la polarisation et l'amplitude de la lumière peut être tout à fait bénéfique pour manipuler les états quantiques de la lumière. Nous résultats permettent d’entrevoir des applications intéressantes pour les technologies quantiques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)