Projeto, fabricação e caracterização de meta-superfícies para aplicações em óptica difrativa

Resumo

Este projeto de pesquisa de doutoramento tem por objetivo a modelagem, fabricação e caracterização de metamateriais (em seu estado-da-arte) capazes de controlar a propagação de feixes de luz com baixas perdas de inserção para aplicações em óptica difrativa, notadamente em holografia de fase binária. Mais especificamente, esta pesquisa focará em óptica difrativa plasmônica para o projeto de nano-antenas distribuídas formando o que se chama de meta-superfície. Essas estruturas são capazes de modular a fase e a amplitude da luz de maneira muito mais eficiente que a obtida com elementos difrativos convencionais. Serão também investigadas estratégias de mitigação do truncamento (tamanho finito) na resposta desses elementos, estabelecendo dimensões ideais das sub-máscaras, e otimizando a geometria da região de transição de +p para -p. Com isso espera-se mitigar ordens de difração espúrias indesejadas. Adicionalmente, tendo em vista que a obtenção de baixas perdas é crucial (já que metamateriais tendem a produzir elevadas perdas de inserção, principalmente quando operam no regime de refração negativa) serão investigados substratos e configurações apropriadas para as nano-inclusões visando mitigar essas perdas. Os metais adotados para as meta-superfícies são a prata e o alumínio, devido à compatibilidade destes com processos CMOS. Entretanto, é esperado que o tipo de metal influencie o desempenho das nano-antenas. Sendo assim, o padrão adotado para a caracterização experimental será estabelecido de modo a acessar o desempenho das meta-superfícies. Serão também projetadas e fabricadas meta-superfícies padrão (adotadas aqui como benchmark) utilizando métodos convencionais. Os resultados teóricos e experimentais obtidos nesta etapa servirão, então, para comparação de desempenho das estruturas otimizadas (livres de difrações indesejadas). Por explorar graus de liberdade adicionais, a presente proposta apresenta grande potencial de produzir resultados de grande impacto científico, a serem alcançados por meio de projetos otimizados de estruturas metamateriais periódicas com baixas perdas de inserção. Isso será realizado por meio de simulações eletromagnéticas auxiliadas por ferramentas de otimização visando sempre extrair diferentes funcionalidades ópticas das estruturas propostas, tal como uma rígida seletividade em frequência e padrões de transmissão otimizados. Finalmente, espera-se que a presente pesquisa demonstre teórica e experimentalmente novos conceitos voltados para holografia de fase binária baseadas nas meta-superfícies propostas. Adicionalmente, a abordagem aqui proposta encontra enorme potencial de aplicação também em sensoriamento e interconexão óptica. (AU)