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Tese

Metasurfaces for control of light propagation and diffractive optics applications (2021)

  • Authors:
  • Autor USP: MARTINS, AUGUSTO - EESC
  • Unidade: EESC
  • Sigla do Departamento: SEL
  • Subjects: ÓPTICA; HOLOGRAFIA DIGITAL; ESTEREOSCOPIA; CÉLULAS SOLARES; SILÍCIO
  • Keywords: birrefringência de forma; células solares tandem; cristais fotônicos; metalentes; metassuperfícies dielétricas; silício cristalino
  • Agências de fomento:
  • Language: Inglês
  • Abstract: Esta tese de doutorado descreve o projeto, a modelagem, a fabricação e a caracterização de metassuperfícies para o controle da propagação de feixes de luz com baixas perdas. Metassuperfícies são estruturas planas compostas de estruturas menores que o comprimento de onda operante que permitem o controle local da fase, amplitude e/ou polarização da luz. Tais estruturas se provaram extremamente versáteis com aplicações demonstradas em imageamento, holografia, polarização da luz e sensoriamento, por exemplo. Uma característica fundamental no projeto de uma metassuperfície é a escolha material de seus elementos, pois ele dita o mecanismo físico no qual ela se baseia. Dessa forma, podemos agrupar as metassuperfícies em duas categorias: as plasmônicas e as dielétricas. As metassuperfícies plasmônicas, que são compostas de estruturas metálicas, foram as primeiras metassuperfícies demonstradas na literatura. Porém, suas eficiências são afetadas por perdas ôhmicas e teoreticamente limitadas em 25% quando operando em transmissão. Por exemplo, nesta tese é mostrado que a eficiência de transmissão de metassuperfícies plasmônicas feitas em alumínio é da ordem de 13%, o que é muito baixo para muitas aplicações como holografia. Recentemente, metassuperfícies baseadas em materiais dielétricos de alto índice de refração foram propostas como uma alternativa para solucionar o problema da baixa transmissão das metassuperfícies plasmônicas. Nesta tese, nós demonstramos que as metassuperfíciesdielétricas apresentam, de fato, uma melhora significativa na eficiência de transmissão quando comparadas com as plasmônicas. Para tanto, utilizamos como material dielétrico o silício cristalino (c-Si), que possui uma combinação de propriedades favoráveis, tais como: alto índice de refração, facilidade de corrugação e baixas perdas no visível quando comparadas com outros tipos de silício como o amorfo e o policristalino. Assim, foram propostas e projetadas duas metassuperfícies para aplicações em holografia. A primeira é baseada em nanopostes cilíndricos capazes de modular a fase de feixes não polarizados transmitidos através da metassuperfície. Os hologramas apresentam alta fidelidade e alta eficiência, com eficiências de transmissão e difração aproximadamente de 65% e 40%, respectivamente, medidas experimentalmente. Apesar de terem sido projetadas para operar em 532 nm, os hologramas também apresentaram bons resultados em comprimentos de onda de 444.9 nm e 635 nm. Portanto, as altas tolerâncias a variações na fabricação e comprimento de onda evidenciam que hologramas baseados em metassuperfícies de silício cristalino são ótimos candidatos para aplicações em ótica difrativa e, particularmente, para hologramas coloridos. O segundo projeto utiliza nanopostes com seção transversal elíptica que apresentam birrefringência de forma no visível. Ou seja, tais nanopostes modulam diferentemente a fase da luz transmitida de acordo com o estado de polarização da luz incidente. Dessaforma, um estereograma holográfico foi gerado com tal metassuperfície. Resumidamente, uma imagem esterocópica (estereograma) é composto de duas imagens tomadas de uma mesma cena mas fotografadas em posições diferentes para replicar a paralaxe natural da visão humana. Para o efeito estereoscópico (percepção de profundidade) ocorrer, cada uma dessas imagens deve ser vista independentemente por cada um dos olhos do observador. Para tanto, decidimos realizar dois hologramas com quatro níveis de fase cada, um para cada imagem do estereograma e numa mesma metassuperfície birrefringente em cada um dos dois estados de polarização ortogonal. Assim, o efeito estereoscópico pode ser visto na reconstrução birrefringente com o uso de óculos cujas lentes apresentam polarizadores ortogonais. Além disso, projetamos os hologramas de duas imagens diferentes para facilitar a análise de efeitos de cross-talk na polarização. O plano de reconstrução, para os hologramas estereoscópicos, consiste de uma superfície de alumínio lixada levemente para preservar o estado de polarização da luz espalhada. A largura de banda estimada teoreticamente é de 110 nm com uma relação de sinal ruído maior que 15 dB. As medidas de eficiências de transmissão e difração são da ordem de 70% e 15%, respectivamente, no comprimento de onda de 532 nm. Tais valores são consequências das baixas perdas e alto índice de refração do silício cristalino no visível. Ou seja, o índice de refração é alto o suficiente para minimizaras perdas materiais. As metassuperfícies foram investigadas experimentalmente quando iluminadas com lasers em 444.9 nm e 635 nm para avaliar experimentalmente sua largura de banda. A qualidade do efeito estereoscópico é surpreendentemente alta em 444.9 nm com eficiências de transmissão e difração de 70% e 18%. Já em 635 nm, as reconstruções não foram tão boas. Dessa forma, verificamos que a estrutura proposta foi capaz de demonstrar o efeito estereoscópico nas reconstruções com potencial para aplicações em diversas áreas como artes visuais, entretenimento e segurança. A última, em particular, certamente irá beneficiar do grau de liberdade adicional fornecido pela informação birrefringente. Com base na experiência obtida na pesquisa de metassuperfícies holográficas, decidimos focar no problema de aberrações monocromáticas em metalentes. Metalentes são metassuperfícies que reproduzem as funcionalidades de elementos óticos. Muitas demonstrações surpreendentes já foram demonstradas tais como foco em pontos no limite de difração e operação acromática em uma larga banda de comprimentos de onda. Uma característica importante que ainda não havia sido propriamente solucionada e que é fundamental em aplicações como smartphones e realidade virtual é a capacidade de formar imagens com alto campo de visão e apenas uma metalente. Para tanto, abdicando a operação no limite de difração, nós demonstramos a habilidade de apenas metalente obter imagens com alto campo de visão (WFOV) comresoluções altas o suficiente para grande parte das aplicações em imageamento. Também são discutidas as propriedades físicas de tais metalentes e, em particular, é mostrado que elas simulam uma lente esférica no limite de raio de curvatura e índice de refração interno infinitos. Por fim, a experiência no projeto de nanoestruturas para o controle da luz foi utilizado para resolver um problema importante no contexto de energia renovável: como aprimorar o desempenho de células solares com nanoestruturas. Em particular, foram analisados os impactos de tais estruturas na performance de uma nova classe de células solares tandem que utilizam peroviskitas e silício. Esse tipo de célula solar tandem requer um cuidados controle fotônico para obter o melhor desempenho e isso pode ser realizado com estruturas fotônicas intermediárias, ou seja, postas entre as camadas de silício e peroviskita. Primeiramente, nós identificamos que, para essa classe de célula solar tandem, a estrutura fotônica intermediária deve casar a impedância entre a peroviskita e o silício. Tal conclusão não concorda com a percepção da comunidade científica, que era a de que deveria utilizado refletor otimizado como estrutura intermediária. Com base na conclusão que obtivemos, nós decidimos avaliar duas estruturas simples, que agem como casadoras de impedância, e comparar seu desempenho com refletores intermediárioas baseados em refletores Bragg distribuídos. Assim, concluímos que, de fato, estruturas intermediáriasbaseadas em casadores de impedância ótica mostram desempenhos muito semelhantes aos dos refletores intermediários mas com a vantagem de serem muito mais simples
  • Imprenta:
  • Data da defesa: 08.03.2021
    • Acesso à fonte
    How to cite
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    • ABNT

      MARTINS, Augusto. Metasurfaces for control of light propagation and diffractive optics applications. 2021. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Carlos, 2021. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-17032021-115322/. Acesso em: 23 abr. 2024.

    • APA

      Martins, A. (2021). Metasurfaces for control of light propagation and diffractive optics applications (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Carlos. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-17032021-115322/

    • NLM

      Martins A. Metasurfaces for control of light propagation and diffractive optics applications [Internet]. 2021 ;[citado 2024 abr. 23 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-17032021-115322/

    • Vancouver

      Martins A. Metasurfaces for control of light propagation and diffractive optics applications [Internet]. 2021 ;[citado 2024 abr. 23 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-17032021-115322/

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