Near-field inter-coupled cell-less metasurface fabrics and their applications

Metayüzeyler, doğal alanda mevcut olmayan, isteğe bağlı işlevsellikleri gerçeklemek için tasarlanmış, dalgaboyu-altı kalınlığında yapay yapılardır. Hem işlevsellik hem de çalışma aralıkları bakımından farklılık gösterebilirler ve buna dayalı olarak geniş bir uygulama alanında tasarlanmaya elverişlidirler. İşlevsellikleri ve çalışma aralıkları fark etmeksizin metayüzeylerin arkasındaki temel amaç, üstün hassasiyet ve verimliliğe sahip cihazlar oluşturmak için çevreleyen elektromanyetik manzarayı işlemektir. Geleneksel tasarım rutinleri ve mevcut yüksek indeksli malzemelerle bu, geçtiğimiz on yılda uzun dalgaboyu limitinde elde edilmiştir. Bununla birlikte, daha yüksek frekanslarda uygun özelliklere sahip doğal malzemelerin olmaması, talep edilen faz cephesinin birbirinden bağımsız olarak oluşturulmuş "meta-hücreler" veya alternatif olarak "meta-atomlar" olarak adlandırılan nanoyapılar tarafından örneklenmesini prensip edinmiş ana akım yaklaşımlar için tasarım alanını sınırlar. Artan frekanslarla, ideal olarak ulaşılmaya çalışılan kesintisiz-değişimli etkin kırıcılık indisi yüzeyi ile ayrık noktalarda örneklenmiş basamaklı-değişen indis yüzeyi arasındaki tutarsızlık artar ve istenmeyen saçılmalara sebebiyet verir. Ek olarak, tasarımlarda kullanılan ölçeklerin küçülmesi ile, istenen yüzeylerin oluşumu için kullanılan meta-atomların birbirlerinden bağımsız cevaplara sahip olmasına dayanan tasarım yöntemleri geçerliliklerini kaybetmekte ve üretilen faz yüzeylerinde oluşan örgüsel kaynaklı hatalar giderilememektedir. Bu tezde, yeni bir metayüzey sınıfı olarak kesintisiz bir doku olarak tasarlanmış özdeş saçıcıların yakın alan bağlaşımına dayanan yüksek verimli meta-yüzeyler önerilmiştir. Hücreler arası etkileşmeleri faz bozunumu olarak gören geleneksel yaklaşımın aksine, önerdiğimiz metodoloji en yakın komşular arasında yakın alan bağlaşımını kullanır ve topolojik hatalara karşı duyarsız, geniş ölçeklerde uygulanabilir örgü oluşturma şemalarını mümkün kılar. Bu özellikleri sayesinde, önerdiğimiz metodoloji optik tüketim ürünlerinin daha da küçültülmesine yönelik fırsatlar sunar. Kontakt lens ve akıllı telefon kameraları gibi ticarileştirmeye yatkın alanlarda yüksek talep gören ve meta-yüzeylerle yaratılmaya çalışılan işlevlerden biri, görünür dalgaboylarında verimli ve akromatik odaklamadır. Ancak literatürdeki örnekler ne geniş bant performansı ne de verimlilik açısından yeterli değildir. Önerdiğimiz faz edinim yaklaşımımız homojen olmayan saçılmaları etkin bir şekilde ortadan kaldırırken, istenilen işlevselliğin tasarım prosedürünü, kesintisiz bir dokudaki yakın-komşu uzaklıklarını gereken faz yüzeyine göre belirlemeye indirgemektedir. Burada, önerdiğimiz metodoloji ile tasarladığımız, tüm görünür spektrum boyunca çalışan, kırınım-sınırına-yakın odaklanmaya sahip bir silindirik ve bir dairesel akromatik metayüzey lens (metalens), örnek uygulama ve yaklaşımın geçerliliğinin kanıtı olarak ortaya çıkarılmıştır. Kullanılan yaklaşımın geçerliliği hem dalga kılavuzu çözümleri hem de tam elektromanyetik hesaplamalar ile doğrulanmıştır. Tasarlanan iki yapının da üstün verimliğe sahip oldukları görülürken, dairesel metalensimiz polarizasyondan bağımsız bir şekilde, silindirik metalens tasarımımız ise tasarım polarizasyonunda artırılmış olarak üstün verimliliğe sahiptir. Bu bulgular, yakın-alan komşu-bağlaşımlı hücresiz metayüzey dokularımızın bir küçültülmüş ve verimli optik cihaz oluşturma taslağı olarak uygulanabilirliğini kanıtlamaktadır.