Hausses performances améliorées d'un polariseur de métasurface grâce à l'analyse numérique des caractéristiques de dégradation

Contexte

Le contrôle de la lumière à l'échelle nanométrique a été largement étudié en nano-optique et en nanophotonique. En conséquence, différents types de nanostructures photoniques ont été proposés jusqu'à présent. Par exemple, les nano-cavités à cristal photonique (PhC) avec des facteurs de qualité (Q) ultra-élevés [1] peuvent confiner la lumière dans une région sous-longueur d'onde. Semblable aux cavités PhC, des facteurs Q élevés sont réalisés par des cavités à microdisque [2, 3], sphérique [4] et troidale [5]. Ces cavités avec des facteurs Q élevés sont généralement constituées de matériaux diélectriques transparents. Contrairement à ces cavités diélectriques, les cavités métalliques ont des facteurs Q faibles mais peuvent réduire la taille totale de leurs cavités. En particulier, les cavités sous-longueur d'onde plasmoniques sont importantes pour contrôler la lumière à une échelle extrêmement petite [6]. Bien que les cavités plasmoniques aient des facteurs Q faibles, elles peuvent comprimer la lumière dans une région sous-longueur d'onde profonde [7]. Cette lumière extrêmement confinée devrait être une clé pour fusionner la photonique et l'électronique [8].

En plus des nanostructures photoniques mentionnées ci-dessus, les métasurfaces ont récemment attiré une attention considérable pour la conception de dispositifs optiques hautement fonctionnels et ultra-minces. Il existe différents types de métasurfaces qui contrôlent la réfraction [9], la réflexion [10], la photoluminescence [11], la fluorescence [12–14], les plaques d'onde [15] et les séparateurs de faisceau [16]. L'état de polarisation est l'une des propriétés fondamentales et importantes de la lumière qui peut être contrôlée par les métasurfaces [17–22]. Des études numériques et expérimentales ont montré qu'un polariseur de métasurface avec une structure complémentaire empilée a un taux d'extinction élevé de l'ordre de 10 000 dans le proche infrarouge [23-26]. Les structures complémentaires ont des résonances à presque la même longueur d'onde en raison du principe de Babinet [27, 28]. Lorsqu'une structure complémentaire est en résonance qui présente une transmittance élevée pour une polarisation spécifique, l'autre structure est en résonance qui présente une faible réflectance pour la même polarisation. En conséquence, l'ensemble de la structure présente une transmittance élevée. Pour la polarisation orthogonale, le rôle des échanges de champs électriques et magnétiques, se traduit par la réflectance élevée. Ainsi, la métasurface avec des structures complémentaires présente un taux d'extinction élevé. Cependant, il existe une profonde inquiétude quant à la stabilité et la fiabilité de cette haute performance car la métasurface comprend de l'argent, qui se dégrade dans l'atmosphère. Pour contourner ce problème, une approche alternative consiste à utiliser l'or comme matériau plasmonique, mais cela diminue les performances du polariseur en raison d'une perte métallique accrue. Par conséquent, pour les applications pratiques, la stabilité et la fiabilité du polariseur de métasurface doivent être abordées.

Dans cette étude, nous étudions les caractéristiques de dégradation du polariseur de métasurface. Nous montrons que le taux d'extinction du polariseur présente une dégradation temporelle. Comme origine de la dégradation, nous nous concentrons sur l'effet de la morphologie de surface sur les hautes performances du polariseur. Pour décrire la morphologie, nous introduisons deux modèles. L'un décrit la rugosité de surface par une courbe périodique avec un bruit blanc gaussien, tandis que l'autre décrit la rugosité en utilisant des nanoparticules distribuées aléatoirement. Nous avons également étudié l'effet de la perte métallique sur la haute performance. Tout au long de ces calculs numériques, nous révélons un facteur crucial qui provoque la dégradation et proposons un polariseur de métasurface optimisé avec un taux d'extinction élevé.

Méthodes/Expérimental

Le montage expérimental pour la mesure du taux d'extinction élevé est représenté schématiquement sur la Fig. 1. Nous avons utilisé un oscillateur paramétrique optique (OPO) pompé par un laser Nd:YAG (grenat de fer yttrium) à fréquence triplée (Optolette 355, Opotek) comme lumière la source. La largeur d'impulsion et le taux de répétition étaient de 7 ns et 20 Hz, respectivement. La lumière libre de l'OPO a été focalisée sur l'échantillon par une lentille et a été polarisée linéairement par un prisme Glan-laser (GLP). La lumière libre transmise a été mesurée par un photodétecteur InGaAs étendu (Edmund Optics). Dans ce système optique, la fluctuation de l'intensité lumineuse à partir d'une seule impulsion entraîne un faible rapport signal/bruit (S/B). Par conséquent, pour éliminer l'effet de cette fluctuation, nous avons mesuré la transmittance moyenne d'une seule impulsion. Pour surveiller l'intensité lumineuse d'une seule impulsion, nous avons inséré une paire d'échantillonneurs de faisceaux entre la lentille et le BPL. Une partie de la lumière libre a été réfléchie sur le deuxième échantillonneur de faisceau (BS2), puis à nouveau réfléchie sur le filtre de densité neutre (ND) réfléchissant, qui ajustait l'intensité laser réfléchie pour ne pas endommager un photodétecteur. Le laser accordé a été incident sur un photodétecteur InGaAs étendu (Edmund Optics) à travers un trou d'épingle, qui a bloqué la lumière "fantôme" inutile réfléchie à la surface arrière du BS2 (voir l'encart de la Fig. 1). Le premier échantillonneur de faisceau sert de compensateur de déviation du chemin optique.

Un schéma du montage expérimental de la mesure du taux d'extinction. Miroir M, sténopé PH, lentille L, échantillonneur de faisceau BS, amortisseur de faisceau BD, filtre à densité neutre NDF, prisme GLP Glan-laser, détecteur D

En utilisant cette configuration, nous avons évalué le taux d'extinction comme suit. Le signal transmis est calculé pour être D ₁ =(1−R _BS2 )T _BPL T _Échantillon Je , où R _BS2 , T _BPL , T _Échantillon , et Je sont respectivement la réflectance du BS2, la transmittance du BPL, la transmittance de l'échantillon et l'intensité lumineuse devant le BS2. L'intensité du signal du détecteur 2 est calculée pour être D ₂ =R _BS2 R _NDF Je , où R _NDF est la réflectance du filtre ND réfléchissant. Notez que l'intensité lumineuse est suffisamment diminuée pour que le signal détecté soit proportionnel à l'intensité lumineuse. Utilisation de D ₁ et D ₂ , on peut calculer T _Échantillon comme

Pour évaluer T _Échantillon , nous devons également mesurer la réflectance et la transmittance des éléments optiques, tels que l'échantillonneur de faisceau. Ceci n'est pas nécessaire car nous nous concentrons sur un rapport d'extinction, à savoir le rapport de transmittance. En faisant pivoter l'échantillon de 90° et en mesurant la transmittance par le même montage, on obtient simplement le taux d'extinction η comme

où les exposants H et L indiquent les états de polarisation qui présentent respectivement une transmittance élevée et faible. Dans cet article, nous avons mesuré le rapport D ₁ /D ₂ pour les états de polarisation orthogonale et évalué le taux d'extinction η .

Pour confirmer la validité des données mesurées, nous avons effectué des calculs numériques basés sur l'analyse rigoureuse des ondes couplées (RCWA) incorporée avec la méthode de la matrice de diffusion [29, 30] et une méthode de Fourier inverse [31]. Les permittivités de l'Ag et de la silice ont été obtenues à partir de [32] et [33], respectivement. Le nombre de vecteurs de réseau réciproques utilisés dans le calcul était de 2601.

Pour calculer la transmittance des structures métalliques brutes, nous avons utilisé un logiciel commercial de COMSOL Multiphysics, qui est basé sur la méthode des éléments finis. Dans l'étude précédente [34], les effets de la rugosité sur la réponse optique sont décrits par l'augmentation de la partie imaginaire de la permittivité du métal. Dans cet article, en plus de l'augmentation de la perte métallique, nous avons également considéré les effets directs des changements structurels suivis de la rugosité sur la transmittance. Nous avons traité ces deux effets séparément. En ne considérant que les effets des changements structurels, nous avons appliqué la permittivité en vrac aux structures métalliques avec rugosité. D'autre part, en ne considérant que les effets de la perte accrue, nous avons appliqué la permittivité modifiée aux structures métalliques sans rugosité. Nous définissons la tolérance relative des calculs numériques à moins de 1%.

Résultats et discussion

La figure 2a représente le schéma du polariseur de métasurface à trois couches. La première couche a une structure complémentaire à la troisième couche (voir Fig. 2b), avec les deux couches comprenant de l'argent (Ag). La deuxième couche et le substrat comprennent de la silice (SiO₂ ). Comme le montre la figure 1c, la métasurface a un réseau d'une paire de trous rectangulaires (150 nm × 540 nm) et a une période de 900 nm dans le x et y directions. Les épaisseurs des couches métalliques et diélectriques sont respectivement de 45 et 200 nm (voir Fig. 2d). L'échantillon a été préparé par lithographie par nanoimpression couplée à des techniques de gravure sèche ultérieures [35]. Les détails de la préparation de l'échantillon sont décrits dans [26]. La figure 3 montre les images au microscope électronique à balayage (MEB) de l'échantillon préparé.

Un schéma du polariseur de métasurface (a ) qui comprend trois couches (b ). La métasurface a un réseau de paires de trous rectangulaires avec une période de 900 nm dans le x et y directions (c ). Les épaisseurs des couches métalliques et diélectriques sont respectivement de 45 et 200 nm (d )

L'image SEM de a le polariseur de métasurface et b son image agrandie

Nous avons utilisé un spectrophotomètre (V-7200, JASCO, Japon) pour mesurer la transmittance de l'échantillon pour le x et y polarisations. La figure 4 montre les résultats mesurés. Les lignes bleues et vertes indiquent la transmittance pour le x et y polarisations, respectivement. La ligne bleue qui correspond à la transmittance élevée est mesurée avec un rapport S/B élevé. Cependant, la ligne verte correspondant à la faible transmittance souffre d'un faible rapport S/B, indiquant ainsi que le polariseur a un rapport d'extinction élevé. En particulier, la ligne verte a des signaux négatifs à des longueurs d'onde supérieures à 1350 nm car l'intensité de la lumière transmise est inférieure au niveau de bruit du spectrophotomètre. Par conséquent, nous avons utilisé le système optique décrit dans la section précédente pour mesurer le taux d'extinction élevé.

Spectres de transmittance mesurés par le spectrophotomètre. Les lignes bleues et vertes sont les spectres du x et y polarisations, respectivement

La figure 5a montre les spectres de transmission mesurés pour le x et y polarisations. La ligne bleue qui correspond à la transmittance élevée a un profil spectral similaire à la transmittance mesurée par le spectrophotomètre. La ligne verte correspondant à la faible transmittance présente un creux net autour de la longueur d'onde de 1625 nm, qui n'a pas été mesurée par le spectrophotomètre. En divisant la transmittance pour le x polarisation par celle pour le y polarisation, nous avons évalué le spectre du taux d'extinction montré sur la figure 5b. Le spectre du taux d'extinction a une valeur de crête dépassant 20 000 autour de la longueur d'onde de 1640 nm.

un Spectres de transmission pour le x (bleu) et y (vert) polarisations mesurées par la configuration illustrée à la Fig. 1. b Le spectre du taux d'extinction du polariseur de métasurface

Pour considérer la validité des données mesurées, nous avons comparé les spectres mesurés aux résultats des calculs numériques. Comme le montre la figure 6a, le spectre de transmittance élevée était cohérent avec les spectres mesurés par le spectrophotomètre. Le spectre de faible transmittance, qui est affiché sur une échelle logarithmique, présente une nette baisse autour de la longueur d'onde de 1640 nm. Cette caractéristique concordait bien avec celle du spectre observé. Le spectre du taux d'extinction montré sur la figure 6b a un pic de 15 000, ce qui est proche de la valeur observée. Ainsi, les spectres de transmittance et de taux d'extinction mesurés étaient cohérents avec les résultats du calcul numérique, indiquant que nous avions observé avec succès le taux d'extinction élevé dépassant 20 000.

Résultats du calcul numérique de a transmission et b spectres de taux d'extinction. Les lignes bleues et vertes dans a correspondent au x et y polarisations, respectivement

Suite à la démonstration expérimentale de la métasurface avec le taux d'extinction élevé, nous nous concentrons sur la stabilité à la dégradation dans le temps car la métasurface comprend de l'Ag, qui est sujet à la dégradation dans l'atmosphère. La figure 7 montre la dégradation temporelle du taux d'extinction. Les lignes rouges, vertes et bleues sont les spectres de taux d'extinction observés après 6, 7 et 9 jours après le dépôt de métal, respectivement. La ligne rouge a une valeur de crête supérieure à 20 000. Après un seul jour de mesure de la ligne rouge, le taux d'extinction s'est dégradé mais avait toujours une valeur maximale supérieure à 10 000. Cependant, deux jours après la mesure de la ligne verte, le taux d'extinction s'est significativement dégradé et avait une valeur maximale de 500. La ligne bleue a une largeur de ligne élargie, indiquant qu'une augmentation de la perte serait impliquée dans cette dégradation. Ainsi, le taux d'extinction présentait une dégradation drastique et les performances se dégradaient d'un ordre de grandeur. Nous avons également trouvé les pics décalés vers le bleu des spectres de taux d'extinction suite à la dégradation. Une étude du facteur crucial impliquant la dégradation des performances est décrite.

Dégradation temporelle du taux d'extinction. Les lignes rouge, verte et bleue sont les spectres de taux d'extinction pendant 6, 7 et 9 jours après le dépôt du métal

La dégradation s'est déroulée rapidement et les largeurs de raie des spectres d'extinction se sont élargies, indiquant que certains changements structurels seraient impliqués dans ce processus de dégradation. Par conséquent, nous étudions la manière dont la morphologie de surface de la nanostructure métallique affecte les performances du polariseur. Pour décrire la morphologie, nous introduisons deux modèles. L'un décrit la surface par une courbe périodique avec un bruit blanc gaussien et l'autre par des nanoparticules distribuées aléatoirement.

Tout d'abord, nous étudions le modèle en utilisant la courbe périodique. La figure 8a représente la surface modélisée. Nous avons introduit la rugosité uniquement dans la couche métallique inférieure pour économiser du temps CPU et des ressources mémoire. En raison de la surface rugueuse, l'épaisseur effective de la couche métallique varie. Par conséquent, nous avons fait varier l'épaisseur de la couche inférieure indiquée par la flèche verte sur la figure 8b. Les figures 9a, b montrent respectivement les spectres de transmittance et de taux d'extinction de cette structure. Même en présence de la rugosité, le polariseur de métasurface a des taux d'extinction élevés de l'ordre de 10 000, indiquant que la rugosité ne dégrade pas significativement les performances. Les calculs numériques ont également montré les spectres décalés vers le rouge du taux d'extinction avec la diminution de l'épaisseur. Ce décalage vers le rouge est élucidé par les caractéristiques spectrales de transmittance représentées sur la figure 9a. La transmittance élevée a une sensibilité très faible par rapport à la variation de l'épaisseur du métal, tandis que la transmittance faible a la position de pendage décalée vers le rouge avec la diminution de l'épaisseur. La position de crête du taux d'extinction dépend du creux de la faible transmittance, ce qui entraîne le décalage vers le rouge. Le décalage vers le rouge qui est apparu dans le calcul ne correspond pas à la caractéristique observée expérimentalement du décalage vers le bleu.

un Surface rugueuse modélisée à l'aide d'une courbe périodique avec un bruit blanc gaussien. b L'épaisseur de base indiquée par la flèche verte varie dans le calcul

un Transmission et b spectres de taux d'extinction du premier modèle illustré à la Fig. 8. L'épaisseur de base de la couche métallique inférieure varie de 40 à 55 nm avec un pas de 5 nm

Deuxièmement, nous étudions le modèle par les nanoparticules. La figure 10a représente la surface modélisée, où des nanoparticules avec des rayons de 15, 20 et 25 nm sont réparties de manière aléatoire sur la surface de la structure métallique inférieure, comme le montre la figure 10b. Nous avons placé les nanoparticules en forme d'hémisphère sur la surface conformément à des nombres aléatoires uniformément répartis. Sous la distribution aléatoire, certaines des particules ont un léger chevauchement spatial et la taille du maillage entre les particules devient extrêmement consommatrice de mémoire. Dans ce cas, pour économiser la mémoire, nous avons déplacé manuellement l'une des particules et réduit la taille du maillage. Nous avons fixé l'épaisseur de la structure inférieure à 40 nm. La figure lia, b montre respectivement les spectres de transmittance et de taux d'extinction de cette structure. Similaire au premier modèle, le spectre du taux d'extinction a une valeur maximale de l'ordre de 10 000, et ne se dégrade pas de manière significative. Le pic décalé vers le rouge est également apparu en présence des nanoparticules. Ces caractéristiques sont également les mêmes que celles observées dans le premier modèle, mais elles ne sont pas en accord avec le résultat expérimental des caractéristiques de dégradation et du décalage vers le bleu.

un La vue de dessus et b vue à vol d'oiseau de la surface rugueuse modélisée à l'aide de nanoparticules distribuées aléatoirement

un Transmission et b spectres d'extinction du deuxième modèle illustré à la Fig. 10

A ce stade, nous avons montré numériquement que la variation de la morphologie de surface ne dégrade pas significativement les performances du polariseur de métasurface. Cette robustesse de la morphologie est attribuée au principe de Babinet. Le principe de Babinet ne renvoie pas à la morphologie de surface mais renvoie aux écrans des structures complémentaires. Le polariseur haute performance basé sur ce principe n'est pas fortement affecté par la morphologie car les écrans sont invariants même en présence de la rugosité de surface, d'où la robustesse à la morphologie. Par conséquent, comme origine de la dégradation, nous devons considérer un autre effet de la morphologie de surface. Ici, nous nous concentrons sur la perte métallique liée à la morphologie. Avec l'augmentation de la rugosité de surface, la partie imaginaire de Ag augmente en raison de la diffusion de surface et des effets de joint de grain [36, 37]. Cette augmentation de la perte s'explique par la constante d'amortissement du modèle de Drude décrite comme γ =ρ n e ² /m _e , où ρ , n , e , et m _e sont respectivement la résistivité électrique, la densité électronique, la charge électronique et la masse électronique effective. La résistivité est constituée de deux termes. L'un est la résistivité en vrac et l'autre est celui de la surface. La résistivité de surface ρ _s est inversement proportionnel à la longueur de corrélation latérale ξ , à savoir, ρ _s ∝ξ ⁻¹ [38]. Avec l'augmentation de la rugosité, la longueur de corrélation latérale ξ diminue, entraînant ainsi une résistivité de surface plus élevée et une perte métallique. Ce mécanisme physique n'a pas été inclus dans le calcul car une condition aux limites périodique a été utilisée et une structure périodique approximative a été supposée. Nous considérons les effets de cette augmentation des pertes métalliques sur le taux d'extinction et modifions la permittivité de Ag comme suit :

où ε _Ag est la permittivité de Ag obtenue à partir de [32], C est une constante représentant l'augmentation de la perte métallique, et i désigne une unité imaginaire. A noter que la partie réelle de la permittivité doit être modifiée suite à l'augmentation de la partie imaginaire car les parties réelle et imaginaire sont reliées par la relation de Kramers-Kronig. Dans cette étude, nous n'avons modifié que la partie imaginaire pour avoir une discussion qualitative. En utilisant cette permittivité modifiée, nous calculons le spectre du taux d'extinction. Ce résultat est illustré à la figure 12, dans laquelle la constante C varie de 1 à 5. Le taux d'extinction diminue drastiquement avec une augmentation de la perte métallique. De plus, la position du pic du spectre présentait la caractéristique décalée vers le bleu avec l'augmentation de la perte. Ces caractéristiques de la dégradation drastique et du décalage vers le bleu s'accordent bien avec les caractéristiques observées expérimentalement. L'origine de ce décalage vers le bleu est élucidée comme suit. La valeur du creux de la faible transmittance devient de plus en plus faible avec l'augmentation de la perte métallique. En conséquence, la contribution de la valeur de crête de la transmittance élevée au taux d'extinction augmente. La position de crête a une forte insensibilité à la perte métallique et est à la longueur d'onde plus courte que la position de creux, ce qui entraîne le décalage vers le bleu du spectre d'extinction. Ainsi, nous avons constaté que l'augmentation de la partie imaginaire est un facteur crucial responsable de la dégradation.

Dépendance aux pertes métalliques des spectres d'extinction. Les lignes noires, rouges, bleues, vertes et magenta correspondent aux cas de C =1,2,3,4 et 5, respectivement

Nous proposons que le taux d'extinction soit amélioré en faisant varier les épaisseurs des couches métalliques complémentaires. La position de crête de la transmittance élevée est située à une longueur d'onde plus courte que la position de creux de la transmittance faible. Pour améliorer le taux d'extinction, ces positions de pic et de creux doivent être proches l'une de l'autre. Selon le principe de Babinet, le pic et le creux doivent être à la même longueur d'onde. Cependant, le principe suppose que les structures complémentaires comportent un conducteur électrique parfait d'épaisseur infiniment mince, ce qui est difficile à valider dans le domaine optique même en approximation. En conséquence, les structures complémentaires ont des longueurs d'onde de résonance différentes. Pour ajuster les longueurs d'onde, on considère les caractéristiques des modes propres responsables des résonances. La figure 13a, b montre les schémas de distribution des champs électriques et magnétiques aux positions de crête et de creux de la transmittance montrée sur la figure 6, respectivement. Ces distributions de champs sont représentées dans le z −x avion à y =0 sous l'intensité lumineuse incidente de 1 W. Le mode propre de la transmittance élevée a une caractéristique d'un dipôle électrique dans la structure métallique supérieure, tandis que celui de la transmittance faible a une caractéristique de boucle magnétique dans la structure inférieure. La longueur d'onde de résonance pour la transmittance élevée est déterminée par la largeur du trou d'air dans le z −x avion. C'est un paramètre fixe et impossible à régler. D'autre part, la longueur d'onde de résonance pour la faible transmittance est déterminée par la section transversale de la structure inférieure dans le z −x avion. Ceci est réglable en faisant varier l'épaisseur du métal. Ces ajustements sont cohérents avec la dépendance de l'épaisseur de la transmittance selon laquelle la position de crête de la transmittance élevée a une faible sensibilité à l'épaisseur de la couche métallique inférieure tandis que la position de creux de la transmittance faible a une sensibilité élevée. Sur la base de cette analyse, nous ajustons la longueur d'onde comme suit. Avec l'augmentation de l'épaisseur, la section efficace augmente et la longueur d'onde de résonance de la faible transmittance se déplace vers des longueurs d'onde plus courtes. En conséquence, les positions de pic et de creux deviennent proches et le taux d'extinction est amélioré. Pour confirmer cela, nous calculons la dépendance des spectres de transmittance et de taux d'extinction sur l'épaisseur. Dans ce calcul, nous avons fixé l'épaisseur de la couche métallique supérieure à 45 nm. La figure 14a montre les spectres de transmission pour le x et y polarisations. Avec l'augmentation de l'épaisseur, la position du creux de la faible transmittance se déplace vers des longueurs d'onde plus courtes et le creux devient plus profond. D'un autre côté, la position de crête de la transmittance élevée n'est pas fortement affectée par la variation de l'épaisseur même si la valeur de crête diminue d'environ 5 %. La figure 14b montre les spectres de taux d'extinction. Lorsque l'épaisseur est de 35 ou 40 nm, le creux de la faible transmittance devient plus faible que celui de 45 nm, ce qui entraîne un taux d'extinction plus faible. Lorsque l'épaisseur est de 50 ou 55 nm, il n'y a presque pas d'amélioration. Ceci est dû au fait que l'amélioration par l'ajustement des positions de crête et de creux est annulée par la diminution de la valeur de crête de la transmittance élevée. Lorsque l'épaisseur est de 60 ou 65 nm, il y a une nette amélioration du taux d'extinction. Cela est dû à la combinaison de la valeur du pendage plus profond et de l'amélioration par l'ajustement de la position. Comme nous l'avons montré numériquement, une amélioration supplémentaire du taux d'extinction peut être réalisée en ajustant les épaisseurs des structures métalliques complémentaires. De telles épaisseurs variables pourraient être réalisées en répétant le dépôt de métal. Tout d'abord, dépôt de métal d'une épaisseur de a est réalisée sur un substrat à motifs. Ensuite, en essuyant avec un chiffon propre, seule la couche métallique supérieure est retirée de la surface du substrat avec une épaisseur de métal de a . Par la suite, dépôt de métal d'une épaisseur de b est menée sur l'échantillon. En conséquence, les épaisseurs des couches supérieure et inférieure deviennent b et un +b , respectivement.

un Modèle de distribution du champ électrique au pic du facteur de transmission élevé illustré à la Fig. 6. b Modèle de distribution du champ magnétique au creux de la faible transmittance illustré à la Fig. 6. La pseudo-couleur indique l'intensité du champ vectoriel

un Transmission et b spectres de taux d'extinction lorsque les couches métalliques complémentaires ont des épaisseurs différentes. L'épaisseur de la couche métallique supérieure est fixée à 45 nm, tandis que celle de la couche inférieure varie de 35 à 65 nm avec un pas de 5 nm (voir l'encadré en b )

Conclusions

Nous avons étudié les caractéristiques de dégradation du polariseur de métasurface haute performance. La métasurface préparée présentait un taux d'extinction élevé de l'ordre de 10 000. Nous avons noté que la haute performance s'est dégradée progressivement. Pour clarifier l'origine de cette dégradation, nous avons étudié les effets de la morphologie de surface sur le taux d'extinction. Deux modèles ont été présentés pour décrire la morphologie de la surface. L'un modélise une surface rugueuse par une combinaison d'une courbe périodique et d'un bruit blanc gaussien, tandis que l'autre modélise la surface par des nanoparticules distribuées aléatoirement. Les deux modèles ont indiqué que les hautes performances ne se dégradaient pas en raison de la rugosité de la surface. En effet, le taux d'extinction élevé est régi par le principe de Babinet, ce qui entraîne la robustesse de la morphologie de la surface. We have also investigated the relation between the extinction ratio and the increase in metallic loss because of the surface roughness, which showed drastic degradation of the extinction ratio. The spectral feature of the blue-shift was also reproduced by the numerical calculation, indicating that the degradation is due to the increase in the metallic loss. From this result, we find that the metal deposition should be conducted to reduce the scattering and grain boundary losses that are related to the roughness. Throughout the numerical calculation, we have found that the low transmittance has a high sensitivity to the surface morphology, while the high transmittance does not have the high sensitivity. By utilizing these findings, we proposed that the extinction ratio can be enhanced by varying the thicknesses of the metallic layers. This study paves a way for the development of a metasurface with a high performance and stability toward time degradation.

Abréviations

BS:

Beam sampler

GLP:

Glan-laser prism

NDF:

Neural density filter

OPO:

Optical parametric oscillator

PhC :

Cristal photonique

SEM :

Microscope électronique à balayage

YAG:

Yttrium iron garnet