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Fundamental limits and design principles of doublet metalenses

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Autor(es):
Martins, Augusto ; Li, Juntao ; Borges, Ben-Hur, V ; Krauss, Thomas F. ; Martins, Emiliano R.
Número total de Autores: 5
Tipo de documento: Artigo Científico
Fonte: NANOPHOTONICS; v. 11, n. 6, p. 8-pg., 2022-02-16.
Resumo

Metalenses are nanostructured surfaces with great potential for delivering miniaturized and integrated optical systems. A key property of metalenses is that, by using a double layer configuration, or doublet, they can achieve both diffraction-limited resolution and wide field-of-view imaging. The physical operation and limitations of such doublet systems, however, are still not fully understood, and designs are still based on numerical optimization of the phase profiles. Here, we show the fundamental limits of doublet systems and provide a universal design strategy without any need to resort to numerical optimization. We find an analytical relationship between the focal length and the spacer thickness; we identify the physical principles underlying the limitations on performance and obtain a universal dependence of the field of view as a function of resolution (numerical aperture). Our results will allow researchers to appreciate the regimes of resolution and field of view that are accessible for specific applications, to identify the conditions for optimum performance (such as required spacer thickness), and to conveniently design doublets without needing to resort to numerical optimizations. (AU)

Processo FAPESP: 18/25372-1 - Projeto, fabricação e caracterização de metalentes sem aberração para aplicações em ótica integrada
Beneficiário:Augusto Martins
Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Doutorado Direto
Processo FAPESP: 20/00619-4 - Metasuperfícies para imageamento e sensoriamento
Beneficiário:Emiliano Rezende Martins
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
Processo FAPESP: 21/06121-0 - Propagação de ondas eletromagnéticas em estruturas complexas
Beneficiário:Ben-Hur Viana Borges
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
Processo FAPESP: 15/21455-1 - Projeto, fabricação e caracterização de meta-superfícies para aplicações em óptica difrativa
Beneficiário:Augusto Martins
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
Processo FAPESP: 13/07276-1 - CEPOF - Centro de Pesquisa em Óptica e Fotônica
Beneficiário:Vanderlei Salvador Bagnato
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão - CEPIDs