Исследователи решили фундаментальную проблему оптики: как независимо контролировать и угол, и длину волны света — проблему, которая многие годы была преградой на пути технологии получения и воспроизведения изображений. Взяв на вооружение направленность излучения и разработав двуслойные метарешётки с уникальной симметрией, они впервые разъединили эти две переменные. Их метод высокоточного нанопроизводства позволяет получать ультратонкие высокоупорядоченные структуры, выборочно отражающие свет только под определённым углом и длине волны. Этот прорыв может произвести революцию в дисплеях дополненной или виртуальной реальности, спектральной визуализации и даже оптических вычислений, предоставляя беспрецедентный контроль над светом в компактных устройствах.
Длина волны и направление распространения (угол) — два фундаментальных свойства света. Способность избирательно контролировать как конкретную длину волны, так и конкретный угол представляет собой физическую основу многих передовых оптических приложений. Однако, в силу присущей периодическим системам дисперсии, в резонансном спектре между углом и длиной волны существует неизбежная неразрывная связь. В результате, существует общепринятое мнение, что при изменении угла падения в оптических устройствах неизбежно изменяется фильтрующая длина волны. Эта взаимосвязь между углом и длиной волны в резонансном спектре затрудняет независимый контроль над ними и накладывает фундаментальные ограничения на оптические приложения. В качестве примеров можно привести радужные артефакты в волноводах дополненной реальности, причиной которых служит дисперсия, ухудшение качества изображения, вызванные латеральной хроматической дисперсией в широкоугольных системах визуализации, угловые перекрёстные помехи в фотодетекторах, снижающие точность спектральной реконструкции и ограничения в разработке высокоэффективных источников направленного света.
В новой статье, опубликованной в издании eLight, команда учёных под совместным руководством профессора Дзян-Вэнь Дона из Университета Сунь Ятсена и Лэя Джоу из Университета Фудань обнаружила, что направленность излучения оптических режимов является ключом к преодолению этой фундаментальной проблемы. Путём теоретического анализа они установили полную фазовую диаграмму для разработки резонансных спектров за счёт направленности излучения, открыв, что пространственная инверсионная симметрия и высоко направленное излучение оптических режимов — необходимые физические условия для разрыва связи сцепления между углом и длиной волны.
Основываясь на этих соображениях, они использовали в двуслойных метарешётках некоторую степень латерального смещения. Такой дизайн сохраняет пространственную инверсионную симметрию, в то же время разрывая вертикальную зеркальную симметрию, позволяя осуществлять точный угловой контроль направленности излучения. Теоретически они предсказывали, что резонансное отражение происходит только при нормальном падении и вблизи центральной длины волны. Они также предложили общий дизайн для получения пространственно-спектральной чувствительности для произвольных углов и длин волн.
«Направленность излучения работает в качестве «волшебного ластика», позволяя нам с высокой точностью подавлять спектральную сигнатуру света по дисперсионной кривой. Эта возможность позволяет независимо влиять на угол и длину волны, преодолевая ограничение, вызванное неизбежной дисперсией», — резюмировали они.
«Экспериментальное изготовление двуслойных метарешёток — ещё одна трудность, поскольку, чтобы достичь идеальной плоскости ультратонких прослоек и высокоточного латерального смещения между слоями требуется применение сложных нанотехнологических методов», — добавляют они.
Чтобы решить эту проблему они разработали новаторский подход к изготовлению с использованием многоступенчатой гравировки, непрямых замеров толщин и процессов итеративного нанесения. Всё это сочеталось с высокоточным методом выравнивания двуслойной структуры, чтобы создать высококачественные, работающие близко к инфракрасной зоне двуслойные метарешётки. Этот метод позволяет получить превосходную гибкость настройки плоскости и толщины прослоек с точностью выравнивания порядка 10 нанометров, и совместимость с различными материалами прослоек, устанавливая гибкую экспериментальную платформу для изучения двуслойных фотонных систем.
Пользуясь этой платформой, они экспериментально продемонстрировали, что высокий коэффициент отражения получается только под отдельным углом и на отдельной длине волны. Чтобы подтвердить, что эта новая отражаемость основана на направленности излучения, они также произвели оптическую микроскопию с угловым разрешением, чтобы охарактеризовать направленность излучения образца. Скомбинировав теорию темпоральных спаренных режимов с методами кросс-поляризационных измерений, они количественно измерили ненаправленное излучение резонансных режимов.
Более того, эта группа впервые разработала высокоточные двуслойные метарешётки миллиметрового масштаба и успешно выполнила высококонтрастную съёмку с параллельной пространственной и спектрочувствительной избирательностью при 0° и 1342 нм. Это открывает новые возможности для компактных оптических устройств съёмки и оптических вычислительных технологий.
«Это исследование не только предлагает новаторское решение фундаментальной проблемы независимого контроля угла и длины волны, но и даёт новые знания для технологических решений вроде дисплеев для дополненной и виртуальной реальности, спектральной съёмки, синфазного теплового излучения и усовершенствованного производства полупроводников», — прогнозируют учёные.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Light Publishing Center, Чанчуньским институтом оптики, точной механики и физики.
Вам также может быть интересно: