Metalens tümleşik fotonik

Bu tezde optik metayüzeyleri kullanarak ışığı odaklayıcı minyatür mercekler, metalensler geliştirilmiş ve bu metalenslerin fotonik devrelerle bütünleşme olasılığı incelenmiştir. Son yıllarda özellikle görünür bölgede metalensler üzerine çok sayıda çalışma yapılmıştır. Bununla birlikte, orta kızılötesi (mid-IR) ve morötesi (UV) spektrumlarında çalışan metalenslerin geliştirilmesi kısıtlı kalmıştır. Ölçülen odak noktasının odaklamanın niteliğini etkileyebilecek biçimde benzeştirilen değerden sapması metalenslerin gerçekleştirilmesinde önemli bir sorundur. Bu sapma küçüldükçe, daha homojen Airy disk odaklama modeli elde edilebilir. Fresnel sayısının olası odak kayması için tek ilgili etken olduğunu öne süren önceki çalışmalardan farklı olarak, orta IR metalensler için metalenslerin sayısal açıklığının (NA) odak noktası sapmasını öngörmek için önemli bir değişken olduğunu sayısal olarak gösterdik. Ayrıca, tasarlanan odak noktasının ölçülenden sapmasının sıfıra yaklaştığı ayırgan bir NA (0,55-0,65 arasında) önerildi. Bu tezde ele alınan metalenslerin diğer yönü, kutup süzme uygulamaları için kullanışlı odak noktası sayısının çoğaltılabilmesidir. Tek malzemeden oluşturulan metalensler UV sıklıkta sayısal olarak araştırılmıştır. Al$_2$O$_3$ alttaş ve nanobloklardan oluşan çok-odaklı metalens elde etmek için evre, kutuplama ve odak noktaları üzerinde tam uzamsal yönetime sahip bir tasarım yöntemi geliştirildi. Tek malzemeden oluşan metalenslerin en önemli özelliği kırılma katsayısı farklılığı bile olmadan ilginç optik özelliklerin kısa bir üretim süreciyle elde edilebilmesidir. Son olarak, odak kayması tahmini ve çok odaklı tasarım ilkesinden yararlanarak, metalens ile entegre bir fotonik devre oluşturuldu. Cihazı oluşturan alttaşın bir tarafında metalens yapısı, diğer tarafında bir plazmonik anten dizisi modellendi. Bu yeni sıkı tasarımın plazmonik yapılar için olgun bir lenssiz odaklama mekanizması sunabileceğini gösterdik. Gelen ışığı plazmonik yapıya odaklamak mümkün olduğundan, bu aygıtta yakın alan şiddetin önemli ölçüde attığı gözlenmiştir. Ayrıca çok odaklı metalens kullanmak, yüzeydeki çoklu yongaları farklı kutuplama kipleri ile aydınlatmamıza da olanak tanır. Biyoalgılama amaçlı plazmonik yapı uygulamalarında yakın alan şiddetinin önemi düşünüldüğünde, karmaşık ölçüm tekniklerinden kaçınırken bu entegre aygıtlarda biyoalgılamanın duyarlılığını ve seçiciliğini artırabiliriz.