سطح نوری تخت یک قانون مهم نور را شکست

به گزارش گروه ترجمه رکنا به نقل از سای تک دیلی، پژوهشگران یک رویکرد مهندسی پاشندگی تعاونی مبتنی بر فاز هیبریدی معرفی کردند که فازهای هندسی آهرونوف–آناندا (AA) و پانچاراتنام–بری (PB) را درون یک متاسطح تک‌لایه ترکیب می‌کند. این راهبرد امکان کنترل آکروماتیک مستقل جبهه‌موج‌ها را برای دو حالت متفاوت اسپین نور فراهم می‌سازد.

چرا پاشندگی کنترل نور را دشوار می‌کند

پاشندگی یکی از ویژگی‌های ذاتی امواج الکترومغناطیسی است. این پدیده موجب می‌شود نور در طول‌موج‌های مختلف رفتار متفاوتی داشته باشد؛ موضوعی که می‌تواند مفید باشد، اما در عین حال موجب بروز خطاهای رنگی نیز می‌شود. با افزایش پهنای باند، این اثرات می‌توانند باعث انحراف زاویه‌های هدایت، جابه‌جایی نقاط کانونی و کاهش دقت مکانی شوند.

متاسطح‌ها که ساختارهای تختی متشکل از آرایه‌های مهندسی‌شده‌ای از متااتم‌های زیرطول‌موجی هستند، به ابزاری مهم برای شکل‌دهی به نور تبدیل شده‌اند. با این حال، اغلب طراحی‌های متاسطح آکروماتیک عملاً به یک کانال اسپین محدود می‌شوند. در موارد دیگر، هر دو کانال اسپین در نظر گرفته می‌شوند، اما ناگزیر از اشتراک رفتار پاشندگی یکسان هستند. این مسئله دستیابی به کنترل واقعاً مستقل فاز و تأخیر گروهی را برای هر دو اسپین در یک پلتفرم فشرده دشوار ساخته است، در حالی که چنین قابلیتی برای یکپارچه‌سازی چندکاناله و چندمنظوره‌سازی عملکردی حیاتی است.

چگونه فازهای هندسی هیبریدی کنترل دوگانه اسپین را ممکن می‌سازند

برای غلبه بر این محدودیت در سطح متااتم، پژوهشگران چارچوبی مبتنی بر فاز هیبریدی توسعه دادند که در آن هر فاز هندسی نقشی متمایز ایفا می‌کند. در این طراحی، فاز AA آنچه تیم پژوهشی «آزادسازی اسپین» می‌نامد را فراهم می‌کند، در حالی که فاز PB امکان «گسترش فاز» را مهیا می‌سازد. توزیع‌های جریان نامتقارن درون هر متااتم موجب می‌شود امواج با قطبش دایره‌ای راست‌گرد و چپ‌گرد (RCP و LCP) در مسیرهای متفاوتی بازتاب یابند. این جداسازی اجازه می‌دهد ویژگی‌های فاز و پاشندگی آن‌ها به‌طور مستقل کنترل شود.

پژوهشگران سپس از مهندسی شدت تشدید برای تنظیم جداگانه تأخیر گروهی هر اسپین استفاده کردند. کنترل فاز از طریق تنظیم فرکانس و چرخش موضعی ساختار حاصل شد که تداخل ناخواسته را به حداقل رساند. فاز PB که از طریق چرخش سراسری اعمال شد، دامنه فاز قابل دسترس را تا نزدیک به ۲π گسترش داد، بدون آنکه به‌طور قابل توجهی طراحی تأخیر گروهی را تغییر دهد. این عناصر در مجموع یک رویکرد عملی تک‌لایه برای دستیابی به عملکرد آکروماتیک دوگانه اسپین فراهم می‌کنند.

نمایش‌های تجربی دستگاه‌ها و بازه فرکانسی

این تیم رویکرد خود را به‌صورت تجربی با استفاده از دو نوع دستگاه که در بازه ۸ تا ۱۲ گیگاهرتز کار می‌کنند، به نمایش گذاشت. یک مجموعه شامل منحرف‌کننده‌های پرتو آکروماتیک با اسپین آزادشده بود که هدایت وابسته به اسپین را در سراسر این باند به‌طور پایدار حفظ کردند. مجموعه دوم شامل فلزعدسی‌های آکروماتیک بود که عملکردهای کانونی متفاوتی را به نور RCP و LCP اختصاص دادند، در حالی که عملکرد کانونی قوی را در همان بازه فرکانسی حفظ کردند.

علاوه بر این، پژوهشگران طرح‌هایی ارائه کردند که همین اصول را به بازه ۰.۸ تا ۱.۲ تراهرتز گسترش می‌دهد. این نتایج نشان می‌دهد که این روش به یک باند فرکانسی خاص محدود نیست، بلکه راهبردی گسترده و قابل کاربرد برای مهندسی پاشندگی محسوب می‌شود.

به سوی متااپتیک‌های منعطف‌تر و فشرده‌تر

در مجموع، این پژوهش متاسطح‌های آکروماتیک را فراتر از اصلاح تک‌کاناله برده و به سمت متااپتیک‌های دوگانه اسپین با قابلیت طراحی مستقل هدایت می‌کند. با در نظر گرفتن دو کانال اسپین به‌عنوان درجات آزادی واقعاً مستقل، این رویکرد امکان ایجاد سامانه‌های نوری چندمنظوره و فشرده را در یک پلتفرم واحد فراهم می‌آورد.

در آینده، مفهوم طراحی مبتنی بر فاز هیبریدی می‌تواند به طیف مرئی برای تصویربرداری چندگانه مبتنی بر قطبش و دستگاه‌های متااپتیکی یکپارچه پهن‌باند گسترش یابد. نویسندگان همچنین اشاره می‌کنند که روش‌های طراحی معکوس، از جمله الگوریتم‌های ژنتیک و یادگیری عمیق، می‌توانند فرآیند بهینه‌سازی دستگاه‌ها را تسریع کرده و کاربردهای عملی در سطح سامانه را پشتیبانی کنند.