Controlling and manipulating the wavefront of light is pivotal in modern optics, especially the ability to do so on the nano- and microscale. Metasurfaces present a unique platform for realising flat lenses - or metalenses - with thicknesses on the order of the wavelength, which is expected to pave the way for miniaturising cameras, displays, and wearable optics among other things. However, suppressing the chromatic aberrations over large operational bandwidths of such metalenses remains a challenge and has largely been overlooked in the mid-infrared spectrum.
Here, a new design method enabling polarisation-insensitive simultaneous control of the phase and group delay of a light beam - based on libraries of transmission-mode dielectric meta-elements - is developed. The proposed methodology, which can be used as a general design rule for all spectra, even provides a design scheme for metalenses operating with ultrashort femtosecond pulses. The validity, of the methodology, is extensively evaluated and verified through analytical theory, mode analysis, dipole summations, and full-wave simulations. For this purpose metalenses, operating in a $2.5\:\mu\mathrm{m}$ wide bandwidth in the mid-infrared range ($6-8.5\:\mu\mathrm{m}$), are analysed and shown to extinguish chromatic aberrations, while maintaining high focusing efficiencies above 45\% and diffraction-limited focusing. This new design method represents a major advance toward practical implementations of metalenses.
빛의 파면을 제어하는 것은 현대 광학, 그 중 특히 나노 및 마이크로 스케일에서 이는 핵심적이라 할 수 있다. 메타 표면은 파장 스케일의 두께를 가지는 평면 렌즈, 즉 메타 렌즈의 실현을 위한 고유 플랫폼을 제공하고, 이는 카메라 및 디스플레이, 웨어러블 광학 장치를 소형화 하는 것에 직접적인 도움을 줄 것으로 예상되는 바 이다. 그러나 광대역에서 메타 렌즈의 색수차를 억제하는 것은 여전히 어려운 도전과제로 남아있으며, 특히 중적외선 영역에서 이 부분은 크게 간과되었다.
본 연구에서 전파 모드의 유전체 메타 요소에 기반하여 빛의 위상 및 그룹 지연의 편광 무관 동시 제어를 가능하게하는 새로운 설계 방법이 개발되었다. 제안한 방법론은 모든 스펙트럼에서 일반적인 디자인 원칙으로 사용될 수 있으며, 심지어 초단 펨토초 펄스로 작동하는 메타 렌즈의 디자인 방식도 제공할 수 있다. 방법론의 유효성은 분석 이론, 모드 분석, 다이폴 합산 및 풀 웨이브 (full-wave) 시뮬레이션을 통해 광범위하게 설명되고 평가되어진다. 이를 위해 $2.5\:\mu\mathrm{m}$의 광대역에서 동작하는 중적외선 ($6-8.5\:\mu\mathrm{m}$) 메타 렌즈가 분석되었고, 색수차를 보정함과 동시에 회절 제한 포커싱 및 45\% 이상의 높은 포커싱 효율을 달성하였다.
본 연구에서 제안하는 새로운 디자인 방법은 메타 렌즈의 실용적인 구현을 향한 초석이 될 것으로 보인다.
