Design of metasurfaces for advanced optical elements

Metapovrchy představují fyzikálně zajímavou třídu materiálů s velkým množstvím slibných aplikací. Jednou z nich jsou planární pokročilé optické prvky pro průmyslovou výrobu a zobrazování. Hlavním cílem této práce je návrh jednoho takového optického prvku, jmenovitě tvarovače svazku na bázi dielektrických nanostruktu v HCTA (high constrast transmit-array) uspořádání. V první části je představen zjednodušený teoretický model optické odezvy stavebních kamenů, který umožňuje pochopení základního funkčního mechanismu fázových dielektrických metapovrchů. Pro přesný popis odezvy nanoskopických elementů byly dále nasazeny numerické FDTD simulace a na jejich základě byla vytvořena databáze, jež je kompatibilní s případnou litografickou výrobou. Pro nalezení rozložení fáze zajišťujícího požadované tvarování svazku byly prozkoumány a implementovány dva přístupy: semi-analytická metoda geometrické transformace a iterativní Gerchberg-Saxtonův algoritmus. Konečným výstupem této práce je pak rozložení stavebních kamenů v rámci metapovrchu, jež dopadajícímu svazku vtiskne nalezený fázový profil.Metasurfaces represent an intriguing class of materials with a wide range of promising applications, one of them being advanced planar optical elements for industrial production and imaging. The main goal of this thesis is to design such an optical element, namely a beam-shaper consisting of dielectric anostructures in HCTA (high constrast transmitarray) arrangement. The first part of this work introduces a simplified theoretical model of the optical response of building blocks that facilitates understanding of the basic functional mechanism behind the phase metasurfaces. To quantify the optical response of dielectric building blocks with enough precision, numerical FDTD simulations were employed. As a result, a database compatible with lithographic fabrication procedures was created. To find the phase distribution ensuring the desired beam-shaping function, two approaches were investigated and implemented: the semi-analytical method of geometric transformation and the iterative Gerchberg-Saxton algorithm. The final output of this work is then the distribution of building blocks within the metasurface that imprints into the impinging beam the previously calculated phase profile.