Light propagation control with flat plasmonic metasurfaces

Conventional optical components such as lenses, prisms, and waveplates, involve engineering of the wavefront as it propagates through an optically thick medium. One can instead exploit abrupt phase and polarization changes associated with scattered light from optical resonators to control light propagation. This work is about the optical responses of anisotropic plasmonic antennas and a new class of planar optical components (“metasurfaces”) based on arrays of these antennas. It contains a theoretical and experimental study of birefringent arrays of two-dimensional optical antennas, which support two orthogonal charge-oscillation modes and serve as broadband, anisotropic optical elements that can be used to locally tailor the amplitude, phase, and polarization of light. Anomalous reflection and refraction phenomena are observed in this regime in plasmonic metasurfaces on silicon with a linear phase variation along the interface. Thanks to the deeply subwavelength thickness of the optical antenna arrays and their associated abrupt phase changes, this behavior can be described with a generalized version of the centenary laws of reflection and refraction of light, that can be rigorously derived from the Principle of Fermat. To demonstrate the versatility of metasurfaces, the design and experimental realization of a number of flat optical components are proposed: metasurfaces with a constant interfacial phase gradient that deflect light into arbitrary directions; planar lenses and axicons that generate spherical wavefronts and non-diffracting Bessel beams, respectively; metasurfaces with spiral phase distributions that create optical vortex beams of well-defined orbital angular momentum; and metasurfaces with anisotropic optical responses that create light beams of arbitrary polarization over a wide wavelength range. Finally a detailed analysis of optical trapping of low index particles in liquid crystals is reported. The observation of stable and long-range trapping shows that this phenomenon is regulated by a completely different mechanism than the conventional trapping in isotropic media. In particular, the role of non-locality of optical reorientation is highlighted and supported by a model for the liquid crystal molecules reorientation under strong focalization conditions.

Nei component ottici convenzionali come lenti, prismi, e lamine d’onda, il controllo del fronte d’onda è ottenuto attraverso la propagazione della luce nel mezzo. In alterna si possono sfruttare le discontinuità di fase e polarizzazione associate allo scattering di risonatori ottici per riprodurre lo stesso effetto. Questo lavoro contiene uno studio delle risposte ottiche di antenne plasmoniche anisotropiche e una nuova classe di component ottici piatti (“metasuperfici”) basati su array di queste antenne. Vengono presentati risultati teorici e sperimentali su arrays bidimensionali birifrangenti di antenne ottiche, che supportano due modi ortogonali che allo la funzione di elementi ottici anisotropici e broadband e che possono modificare localmente l’ampiezza, la fase e la polarizzazione della luce. Fenomeni di riflessione e rifrazione anomale sono osservati in metasupercici plasmoniche su di substrati di silicio con variazioni lineari di fase lungo l’interfaccia. Grazie allo spessore estremamente sottile rispetto alla lunghezza d’onda degli array di antenna e delle risposte di fase a loro associate, questo comportamento può essere descritto attraverso una versione generalizzata delle leggi centenarie di riflessione e rifrazione della luce, derivabili rigorosamente dal Principio di Fermat. Come dimostrazione della versatilità delle metasupercici, il design e la verifica sperimentale di un certo numero di component ottici piatti sono proposti: metasuperfici con un gradiente costante che devia la luce in direzioni arbitrarie; lenti ed axicon piatti che generano fronti d’onda sferici e fasci di Bessel; metasuperfici con distribuzione di fase a spirale che creano fasci ottici a vortici con un ben preciso momento angolare orbitale; e metasuperfici con risposta ottica anisotropica che creano fasci di luce di polarizzazione arbitraria su di un range di lunghezza d’onda ampio. Infine, si presenta un’analisi dettagliata d’intrappolamento ottico di particelle a basso indice di rifrazione in cristallo liquido. L’osservazione di un intrappolamento stabile a lungo range, mostra che tale fenomeno sia regolato da meccanismi completamente diversi da quelli d’intrappolamento convenzionale in mezzo isotropico. In particolare, il ruolo della non località della riorientazione è rilevato e supportato da un modello per la riorientazione delle molecole di cristallo liquido in condizioni di forte focalizzazione.