Ogando, Karim (2015) Metasuperficies nanoestructuradas para la integración de elementos ópticos en sistemas microfabricados / Nanostructured metasurfaces for the integration of optical elements in microfabricated systems. Tesis Doctoral en Física, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
En esta Tesis exploramos la posibilidad de utilizar la nanoestructuración de superficies como herramienta para la implementación de elementos ópticos integrados en sistemas micromaquinados. Adoptamos como guía metodológica el concepto de metasuperficies, que son formaciones ordenadas o arrays bidimensionales de resonadores electromagnéticos con periodicidad menor que la longitud de onda de operación. Al propagarse a través de un material natural, o de un metamaterial artificial tridimensional, las propiedades de la luz evolucionan de manera gradual, acumulativa. Por el contrario, en las meta superficies el cambio se produce de manera abrupta, en distancias mucho menores que la longitud de onda. Orientamos nuestro trabajo a la solución de dos problemas concretos: la optimización de la absorción de radiación infrarroja en la superficie de un bolómetro micromaquinado y la fabricación de lentes en trasmisión que, operando eficientemente en el rango visible, sean integrables sobre la membrana de un microsistema. Resolvimos el problema de la absorción implementando una multicapa metal-dielectricometal y estudiamos sus propiedades mediante microscopa FTIR (Fourier Transform Infra-Red spectroscopy). Exploramos la sensibilidad de la respuesta a cambios en los parámetros geométricos de los resonadores individuales y del ordenamiento colectivo. Por ultimo, definimos criterios para el diseño de absorbers ecientes aptos para su integración en los bolometros micromaquinados desarrollados en nuestro laboratorio. Solucionamos el problema de la integración de lentes introduciendo las metasuperficies de Huygens-Kerker, una nueva clase de sistema basado en resonadores dieléctricos. Mostramos que es posible producir por diseño corrimientos de fase de magnitud arbitraria, manteniendo a su vez intensidades teóricas de transmisión unitarias. Estudiamos la respuesta de estos sistemas empleando herramientas analíticas, numéricas y experimentales. Explorando la dependencia de la transmitancia de arrays homogéneos con los parámetros geométricos, demostramos una supresión de la re reflectancia del 70 %. Mostrando las propiedades focalizadoras de metasuperficies inhomogéneas, probamos indirectamente el control por diseño en el corrimiento de fase. Finalmente, desarrollamos un marco teórico abstracto basado en bloques funcionales que permite integrar y explicar todas las clases de metasuperficies estudiadas, como as también diseñar las futuras implementaciones con una visión mas global.
Resumen en inglés
In this Thesis we explored the use of surface nanoestructuring as a tool for the implementation of optical elements integrated in micromachined systems. We worked within the conceptual framework of metasurfaces, bidimensional arrays of electromagnetic resonators with periodicity and size smaller than the operating wavelength. When light propagates through a natural material, or an articial tridimensional metamaterial its properties change, evolving gradually. On metasurfaces the change is abrupt as it takes place on lenghts much smaller than the wavelength. We oriented our work by solving two concrete problems: the optimization of the infrared absorption for a micromachined bolometer, and the design of a transmission lens, operational on the visible range and integrable on the membrane of a microsystem. We solved the absorption problem by implementing a multilayer based metal-dielectric metasurface and studied its properties by FTIR microscopy. We explored the sensitivity of the response to changes on the geometrical parameters of the resonators and the arrangement of the array. We established the design criteria for ecient absorbers suitable for integration on the micromachined bolometers. We solved the problem of the integrable lenses by introducing Huygens-Kerker metasurfaces, a new kind of system based on dielectric resonators. We showed that it is possible to generate phase shifts of arbitrary magnitude, dened by design, while theoretically retaining unitary transmittance intensity. We studied the response of this systems using analytical, numerical and experimental tools. By the parametric exploration of the dependence of the magnitude of the transmittance of homogeneous arrangements with the geometrical parameters of the unit cells, we showed backscattering supression as high as 70%. By showing the focusing properties of inhomogeneous metasurfaces, we indirectly proved the control by design of the phase shift. Finally, we developed an abstract theoretical framework based on functional blocks, that can join together and explain all the metasurface designs discused before and encourage the design of future implementations with a more global and comprehensive point of view.
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Física) |
|---|---|
| Palabras Clave: | [Metasurfaces; Metasuperficies; Microfabrication; Microfabricación; Photonics; Fotónica] |
| Materias: | Física > Fotónica Física > Nanotecnología Física > Óptica |
| Divisiones: | Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Gcia. de Física > Materia condensada > Bajas temperaturas |
| Código ID: | 1002 |
| Depositado Por: | Tamara Cárcamo |
| Depositado En: | 27 Ene 2022 11:15 |
| Última Modificación: | 11 Abr 2022 15:57 |
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