Metalens integrated photonics
Metalens tümleşik fotonik
- Tez No: 771764
- Danışmanlar: ASST. ASSOC. DR. SERAP AKSU RAMAZANOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyofizik, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Biophysics, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 114
Özet
Bu tezde optik metayüzeyleri kullanarak ışığı odaklayıcı minyatür mercekler, metalensler geliştirilmiş ve bu metalenslerin fotonik devrelerle bütünleşme olasılığı incelenmiştir. Son yıllarda özellikle görünür bölgede metalensler üzerine çok sayıda çalışma yapılmıştır. Bununla birlikte, orta kızılötesi (mid-IR) ve morötesi (UV) spektrumlarında çalışan metalenslerin geliştirilmesi kısıtlı kalmıştır. Ölçülen odak noktasının odaklamanın niteliğini etkileyebilecek biçimde benzeştirilen değerden sapması metalenslerin gerçekleştirilmesinde önemli bir sorundur. Bu sapma küçüldükçe, daha homojen Airy disk odaklama modeli elde edilebilir. Fresnel sayısının olası odak kayması için tek ilgili etken olduğunu öne süren önceki çalışmalardan farklı olarak, orta IR metalensler için metalenslerin sayısal açıklığının (NA) odak noktası sapmasını öngörmek için önemli bir değişken olduğunu sayısal olarak gösterdik. Ayrıca, tasarlanan odak noktasının ölçülenden sapmasının sıfıra yaklaştığı ayırgan bir NA (0,55-0,65 arasında) önerildi. Bu tezde ele alınan metalenslerin diğer yönü, kutup süzme uygulamaları için kullanışlı odak noktası sayısının çoğaltılabilmesidir. Tek malzemeden oluşturulan metalensler UV sıklıkta sayısal olarak araştırılmıştır. Al$_2$O$_3$ alttaş ve nanobloklardan oluşan çok-odaklı metalens elde etmek için evre, kutuplama ve odak noktaları üzerinde tam uzamsal yönetime sahip bir tasarım yöntemi geliştirildi. Tek malzemeden oluşan metalenslerin en önemli özelliği kırılma katsayısı farklılığı bile olmadan ilginç optik özelliklerin kısa bir üretim süreciyle elde edilebilmesidir. Son olarak, odak kayması tahmini ve çok odaklı tasarım ilkesinden yararlanarak, metalens ile entegre bir fotonik devre oluşturuldu. Cihazı oluşturan alttaşın bir tarafında metalens yapısı, diğer tarafında bir plazmonik anten dizisi modellendi. Bu yeni sıkı tasarımın plazmonik yapılar için olgun bir lenssiz odaklama mekanizması sunabileceğini gösterdik. Gelen ışığı plazmonik yapıya odaklamak mümkün olduğundan, bu aygıtta yakın alan şiddetin önemli ölçüde attığı gözlenmiştir. Ayrıca çok odaklı metalens kullanmak, yüzeydeki çoklu yongaları farklı kutuplama kipleri ile aydınlatmamıza da olanak tanır. Biyoalgılama amaçlı plazmonik yapı uygulamalarında yakın alan şiddetinin önemi düşünüldüğünde, karmaşık ölçüm tekniklerinden kaçınırken bu entegre aygıtlarda biyoalgılamanın duyarlılığını ve seçiciliğini artırabiliriz.
Özet (Çeviri)
This thesis investigates the optical metasurfaces utilized for lensing (metalens) and their potential to integrate with photonic circuits. In recent years, a plethora of studies have been done on metalenses, especially in the visible region. However, there are still rooms to discover the metalenses working in the mid-IR and ultraviolet (UV) spectra. Due to the applications in these regions, from biosensing in mid-IR to lithography in UV, the development of metalenses operating in these ranges is essential. One aspect of metalenses that requires further investigation is to analyze the deviation of the measured focal spot from the simulated value, which can affect the focusing quality. As this deviation becomes smaller, a more homogeneous airy-disk pattern can be achieved. Unlike the previous studies that have suggested the Fresnel number is the only relevant factor for the possible focal shift, we numerically show that for mid-IR metalenses, the numerical aperture (NA) of metalenses is an essential parameter to predict the focal spot deviation from the simulated value. We also introduce a critical NA (between 0.55-0.65) in which the deviation of the simulated and measured focal spot can reach zero value. The other aspect of metalenses addressed in this thesis is to find a fine-tuning method to multiply the number of focal sites, which is a practical concept for polarization filtering applications. The single-material-base metalenses are numerically investigated in the UV regime. Moreover, a design method to have full spatial control on phase, polarization, and focal spots is carefully implemented to attain multifocal metalenses. These single-material metalenses are composed of Al$_2$O$_3$ nanoblocks on the Al$_2$O$_3$ substrates, which can facilitate the fabrication process. Finally, by taking advantage of focal shift prediction and multifocal design principle, we propose a metalens-integrated photonic device. On one side of such device, a metalens structure is incorporated, and a plasmonic antenna array is patterned on its other side. We numerically study this device and show that this new compact design could offer an excellent lens-free illumination mechanism for plasmonic structures. Also, as it is possible to focus the incident light on the plasmonic structure, the near field intensity is significantly increased in this device. In addition, utilizing multifocal metalenses on the backside also allows us to illuminate multiple chips on the surface with different polarization modes. Considering the plasmonic structure applications for biosensing purposes, we can increase the sensitivity and selectivity of biodetection in these integrated devices while avoiding complicated measurement techniques.
Benzer Tezler
- Micro-scanning mirrors and lenses for improving image resolution
Görüntü çözünürlüğünün arttırılması amacıyla mikro tarama ayna ve lens geliştirilmesi
AHMET SÖZAK
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KIVANÇ AZGIN
- 850 nm dalga boyu için plazmonik ve alternatif plazmonik tabanlı metalens tasarımları
Plasmonic and alternative plasmonic based metalens designs for the wavelength of 850 nm
BÜŞRA ERSOY
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKayseri ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EKİN ASLAN
- Near-field inter-coupled cell-less metasurface fabrics and their applications
Yakın-alan komşu-bağlaşımlı hücresiz metayüzey doku ve uygulamaları
HÜSEYİN BİLGE YAĞCI
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Optical metasurfaces
Başlık çevirisi yok
FATİH BALLI
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUniversity of KentuckyDR. JOSEPH STRALEY
DR. JEFFREY TODD HASTİNGS
- Universally polarization-insensitive achromatic metasurfaces
Evrensel polarizasyon-bağımsız akromatik metayüzeyler
İBRAHİM TANRIÖVER
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. HİLMİ VOLKAN DEMİR