Spatial filtering of optical fields using nonlocal non-Hermitian metasurfaces
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-08-20
Department
Major/Subject
Advanced Energy Technologies
Mcode
SCI3106
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
59
Series
Abstract
Spatial filtering of light is ubiquitous in optical systems, but it can be challenging when considering the growing demand for miniaturization of these systems. In this thesis, we develop metasurface-based spatial filters that, unlike conventional spatial filters, can be made ultrathin and robust against displacements with respect to the optical beam. By designing the eigenmodes of the nonlocal metasurfaces to form a non-Hermitian system, we aim to increase the spatial selectivity of our filters beyond that obtainable with other photonic structures. We design the metasurfaces to be nonlocal by constructing them from a waveguide grating that supports spatially extended propagating modes, while constraining the geometric parameters to ensure fabricability of the structure. The dispersion relation of the propagating modes is optimized computationally to achieve a non-Hermitian band structure. The filtering properties of the metasurfaces are then further improved by defining and maximizing a Figure of Merit that quantifies the required low-pass filtering performance. Finally, the metasurfaces are combined into compact spatial filtering devices and their properties are studied using the methods of Fourier optics. As a result, we demonstrate a planar, transmissive low-pass spatial filter that comprises a half-wave plate sandwiched between two metasurfaces, achieving a semi-circular peak transmission window at normal incidence with a width of 1 degree and the peak transmittance reaching 0.7, while the average transmittance for spatial components with incidence angles between 1 and 10 degrees is below 0.008. In addition, a spatial high-pass filter based on a similar construction is presented. These computational results add to the existing base of non-Hermitian photonic devices and motivate further research in metasurface-based spatial filters.Valon spatiaalinen suodatus on keskeisessä asemassa monissa optisissa järjestelmissä, joihin kohdistuu kasvavia miniatyrisoinnin vaatimuksia. Tämä aiheuttaa haasteita spatiaalisten suodattimien integroinnille optisiin laitteisiin perinteisten suodattimien koostuessa yleensä kookkaista linsseistä. Tässä diplomityössä kehitetään metapintoihin perustuvia spatiaalisia suodattimia, jotka perinteisistä spatiaalisista suodattimista poiketen ovat erittäin ohuita ja vähemmän herkkiä optisten säteiden kohdistusvirheille. Kehitettyjen suodattimien spatiaalinen selektiivisyys pyritään maksimoimaan suunnittelemalla metapintojen ominaismoodit niin, että ne muodostavat epähermiittisen järjestelmän. Metapinnat suunnitellaan epälokaaleiksi muodostamalla ne hila-aallonjohtimesta, joka mahdollistaa ominaismoodien etenemisen. Samalla rakenteen parametrejä rajataan metapintojen valmistettavuuden varmistamiseksi. Ominaismoodien muodostama järjestelmä suunnitellaan epähermiittiseksi optimoimalla ominaismoodien dispersiorelaatio laskennallisin menetelmin. Tämän jälkeen metapintojen suodatusominaisuuksia parannetaan maksimoimalla niille määriteltävä, spatiaalista suodatustehoa kuvaava suorituskykymittari. Lopuksi metapinnoista koostetaan kompakteja spatiaalisia suodattimia, joiden ominaisuuksia arvioidaan laskennallisesti Fourier-optisin menetelmin. Tuloksena kahdesta metapinnasta ja niiden väliin asetetusta puoliaaltolevystä koostetun läpäisevän alipäästösuodattimen osoitetaan saavuttavan halkaisijaltaan yhden asteen ympyränmuotoisen läpäisyikkunan kohtisuoralle valolle, jonka huippuläpäisyaste on 0.7. Suodattimen keskimääräinen läpäisyaste ei-kohtisuoralle valolle, jonka tulokulma on 1-10 astetta, on alle 0.008. Lisäksi esitetään vastaavanlaiseen rakenteeseen perustuva, metapinnoista koostettu läpäisevä spatiaalinen ylipäästösuodatin.Description
Supervisor
Shevchenko, AndriyThesis advisor
Kolkowski, RadoslawKeywords
spatial filtering, nonlocal metasurface, resonant waveguide grating, non-Hermitian photonics, Fourier optics