Simulation and design of nonlocal optical metasurfaces for smart vision and nonlinear nanophotonics

Driven by the demand for highly miniaturized and efficient optical components, the field of nanophotonics has fundamentally transformed how electromagnetic waves are manipulated at the nanometric scale. Conventional bulky lenses and combiners have the prospect of soon being replaced by flat-optics, more specifically by nanopatterned architectures known as metasurfaces. Among these, nonlocal metasurfaces—which support spatially extended modes such as Guided Mode Resonances and quasi-Bound States in the Continuum—have gained prominence due to their exceptional spectral and angular selectivities, as well as their compatibility with standard fabrication techniques and commonly available materials. These structures not only hold the promise for next-generation commercial devices, but also for new devices operating in the nonlinear regime, where strong localized field enhancements can enable ultrafast all-optical control of light. However, the collective nature of these resonances makes their optical response highly sensitive to the precise materials and geometries being considered, with non-ideal behaviours (such as finite-size effects and fabrication defects) potentially playing important disruptive roles. More in general, a lack in the literature of versatile, efficient, and robust design methodologies/tools for nonlocal metasurfaces poses a serious challenge, preventing these optical devices from being widely adopted for many optical applications where the potential advantages offered by nonlocal metasurfaces would be very useful. Addressing this need, the thesis introduces a robust and versatile computational framework dedicated to the simulation, assessment, and optimization of nonlocal metasurfaces. Leveraging analytical tools alongside customized semi-iterative reduced models, the proposed methodology accurately predicts complex resonant behaviors, as well as the impact of geometrical imperfections at the nanoscale. This expertise is subsequently applied to the rational design of flat optics across two main directions: Smart Vision and nonlinear nanophotonics. For Augmented Reality and Eye-Tracking, highly transparent and angularly stable optical combiners are developed, including a novel on-edge paradigm exploiting Total Internal Reflection and a cascaded RGB architecture optimized via fully conical diffraction. In the nonlinear regime, instead, the thesis explores the transient dynamics of photo-excited carriers to design a lateral hybrid heterostructure for ultrafast, all-optical diffraction management, as well as a chiral metasurface that achieves nonreciprocal transmission for circularly polarized light via nonlinearly-driven symmetry breaking. Ultimately, the findings presented in this work demonstrate that the synergy between bespoke computational modelling on one side, and the precise engineering of spatially extended resonances on the other, can forge new pathways in applied nanophotonics, effectively bridging the gap between industry-driven smart vision technologies and the exploration of novel, ultrafast light-matter interactions.

Spinto dalla richiesta di componenti ottici altamente miniaturizzati ed efficienti, il campo della nanofotonica ha trasformato radicalmente il modo in cui le onde elettromagnetiche vengono manipolate su scala nanometrica. Le lenti e i combinatori tradizionali sono ingombranti, e hanno la prospettiva di essere presto sostituiti dall'ottica piatta (flat-optics), o più specificamente da architetture nanostrutturate note come metasuperfici. Tra queste, le metasuperfici non locali – che supportano modi spazialmente estesi come le Guided Mode Resonances e i quasi-Bound States in the Continuum – hanno acquisito importanza grazie alle loro eccezionali selettività spettrali e angolari, nonché alla loro compatibilità con le tecniche di fabbricazione standard e i materiali comunemente disponibili. Queste strutture non solo racchiudono la promessa per i dispositivi commerciali di prossima generazione, ma anche per nuovi dispositivi operanti in regime non lineare, dove forti incrementi di campo localizzati possono consentire un controllo della luce ultraveloce e interamente ottico (all-optical). Tuttavia, la natura collettiva di queste risonanze rende la loro risposta ottica altamente sensibile ai materiali e alle geometrie specifiche prese in considerazione, con comportamenti non ideali (come gli effetti di dimensione finita e i difetti di fabbricazione) che possono potenzialmente giocare importanti ruoli di disturbo. Più in generale, la mancanza nella letteratura di metodologie e strumenti di progettazione versatili, efficienti e robusti per le metasuperfici non locali, pone una seria sfida, impedendo a questi dispositivi ottici di essere ampiamente adottati per molte applicazioni in cui i potenziali vantaggi offerti dalle metasuperfici non locali sarebbero molto utili. Rispondendo a questa esigenza, la tesi introduce un framework computazionale robusto e versatile, dedicato alla simulazione, valutazione e ottimizzazione delle metasuperfici non locali. Sfruttando strumenti analitici insieme a modelli ridotti semi-iterativi personalizzati, la metodologia proposta prevede in modo accurato i complessi comportamenti risonanti, nonché l'impatto delle imperfezioni geometriche su scala nanometrica. Questa competenza viene successivamente applicata alla progettazione razionale di dispositivi ultra-compatti lungo due direzioni principali: la Smart Vision (visione intelligente) e la nanofotonica non lineare. Per la Realtà Aumentata e l'Eye-Tracking, vengono sviluppati combinatori ottici altamente trasparenti e angolarmente stabili, incluso un nuovo paradigma on-edge che sfrutta la Riflessione Interna Totale e un'architettura RGB a cascata ottimizzata tramite diffrazione completamente conica. Nel regime non lineare, invece, la tesi esplora le dinamiche transitorie dei portatori fotoeccitati per progettare un'eterostruttura ibrida laterale per la gestione della diffrazione ultraveloce e interamente ottica, oltre a una metasuperficie chirale che ottiene una trasmissione non reciproca per la luce polarizzata circolarmente, tramite la rottura di simmetria guidata non linearmente. In definitiva, i risultati presentati in questo lavoro dimostrano che la sinergia tra la modellazione computazionale su misura da un lato, e l'ingegnerizzazione precisa delle risonanze spazialmente estese dall'altro, può forgiare nuovi percorsi nella nanofotonica applicata, colmando efficacemente il divario tra le tecnologie di smart vision guidate dall'industria e l'esplorazione di nuove interazioni luce-materia ultraveloci.