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. 2022 Oct 14;8(41):eadd1973.
doi: 10.1126/sciadv.add1973. Epub 2022 Oct 12.

Ultrasensitive and long-range transverse displacement metrology with polarization-encoded metasurface

Haofeng Zang  1 , Zheng Xi  1   2 , Zhiyu Zhang  1 , Yonghua Lu  1   2 , Pei Wang  1   2
Affiliations

Ultrasensitive and long-range transverse displacement metrology with polarization-encoded metasurface

Haofeng Zang et al. Sci Adv. .

Abstract

A long-range, high-precision, and compact transverse displacement metrology method is of crucial importance in many research areas. Recent schemes using optical antennas are limited in efficiency and the range of measurement due to the small size of the antenna. Here, we demonstrated the first prototype polarization-encoded metasurface for ultrasensitive long-range transverse displacement metrology. The transverse displacement of the metasurface is encoded into the polarization direction of the outgoing light via the Pancharatnam-Berry phase, which can be read out directly according to the Malus law. We experimentally demonstrate nanometer displacement resolution with the uncertainty on the order of 100 picometers for a large measurement range of 200 micrometers with the total area of the metasurface being within 900 micrometers by 900 micrometers. The measurement range can be extended further using a larger metasurface. Our work opens new avenues of applying metasurfaces in the field of ultrasensitive optical transverse displacement metrology.

PubMed Disclaimer

Figures

Fig. 1.
Fig. 1.. Displacement sensing with PB metasurface in transmissive and reflective configuration.
(A) The working principle of the T-type metasurface displacement sensor can be understood as the polarization match between the locally varying polarizer and the locally varying analyzer. The arrows indicate the polarization direction. (B) When the two metasurfaces are displaced with respect to each other, the output power changes periodically according to the Malus law. (C) The reflection-type (R-type) measurement scheme in which one measures the relative displacement of the metasurface with its image, which can be unfolded into the T-type. Note that the R-type scheme has doubled the sensitivity of the measurement. (D) Output power as a function of displacement for the R-type measurement scheme. Note that the sensitivity is doubled.
Fig. 2.
Fig. 2.. Experimental realization of the PB metasurface displacement sensor.
(A) Schematic illustration of the measurement setup. Inset: A SEM image of the sample with pitch Λ = 3 μm. The red arrows indicate the orientation of major axes of optical antenna. Scale bar, 1 μm. (B) Output power as at different metasurface locations for samples with pitches Λ = 3, 4.5, and 6 μm. It can be seen that the short pitch gives a higher slope and thus a higher sensitivity. (C) Linear regions of three curves in (B).
Fig. 3.
Fig. 3.. Resolution and precision of the PB metasurface displacement sensor.
(A) Deterministic measurement results from the 3-μm sample at different measurement steps of 20 nm (left), 10 nm (center), and 5 nm (right). (B) Statistics of the measurement power at different positions from the indeterministic measurement. The two positions are well resolved (top), just resolved (middle), and less resolved (bottom).
Fig. 4.
Fig. 4.. Realization of a long-range linear measurement.
(A) Full coverage of the linear regions via detection of the two signals that are phase shifted with each other at the output as shown in Fig. 2A. Light red/blue area in the background indicates the linear region of the red/blue curve. (B) The linear measurement results covering the full measurement cycle by stitching the linear regions in (A). The gray dashed line indicates the displacement at the stitching point. (C) Segments from measurement in which range covers all piezo stage movement range with a 100-nm step. In each segment, the measured data can fit well with the sine curve. The difference in power in different segments is due to the change in the overlapping area of the metasurface and its image as shown in Fig. 1C.
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