Metasurface microlens focal plane arrays and mirrors

Mercek, ayna ve odak düzlem matrisleri (ODM) elektro-optik (EO) sistemlerin işlevselliğini, performansını ve maliyetini doğrudan etkileyen önemli bileşenlerdendir. Konvansiyonel mercekler ışığın dalgaönünü faz biriktirme mekanizmasıyla bükerler. Bu mekanizma ve saydam malzemelerin yetersizliği, EO sistemlerin karmaşıklığının, maliyetinin ve ağırlığının artmasına neden olmaktadır. Diğer yandan, konvansiyonel aynalar metallerin temel elektromanyetik özellikleri ile limitlenmişlerdir ve belirli EO sistemlerde kullanılamazlar. Ayrıca, ODM'ler optic çözünürlük ve optik bağlaşımın arasındaki temel ödün nedeniyle performans kaybına uğramaktadır. Metayüzeyler ani faz kaymaları prensibine dayanmaları sayesinde yeni bir optik bileşen çeşidinin geliştirilmesine olanak tanımaktadır. Ancak, metayüzeylerin gerçeklenebilmesi için, tam 0'dan 2π'ye faz değişimini neredeyse tektip genlik değişimi ile sağlayabilen optik rezonatörlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tezde metayüzey optik bileşenleri tasarlamak için, birim hücre optic rezanatör gibi davranan nanoantenler tasarlanmış ve modellenmiştir. Bu metayüzeylerin gerçeklenebilmesi ve optimizasyonu için bir tasarım yöntemi geliştirilmiştir. Daha sonra bu metayüzeyler kullanılarak, orta kızılötesi (OKB) ODM'lerdeki optik bağlaşım ve kontakt aynalardaki zayıf alan lokalizasyonu problemlerine çözüm üretilmiştir. Tam-dalga benzetimleri optik bağlaşımın büyük ölçüde baskılandığını doğrularken, önerilen metayüzey ODM'lerin %1'den az optik bağlaşımının elde edildiğini ve bunun diğer OKB ODM'lerden daha düşük olduğunu göstermiştir. Fakat, metallerin özsel kayıpları yüzünden oldukça düşük verimlilik elde edilebilmiştir (≤ %10). Bu sorunu çözmek için metal nanoantenler dielektrik nanoantenler ile değiştirilmiş ve verimlilik %80'e çıkarılmıştır. Bu ilk yüksek verimlilik, düşük optik bağlaşım metayüzey OKB ODM türüdür. Tam-dalga benzetimleri, metayüzey aynaların kuvvetli alan lokalizasyonunu da doğrulamıştır. Bu tezdeki bulgular, metayüzey ODM ve aynaların gelecek nesil EO sistemlerinin önemi bileşenlerinden olabileceğini göstermektedir.