Forskere skaber bioinspireret, meget kontrollerbare ultratynde optiske komponenter

En sommerfugles vinger og en påfuglefjer bruger nanoskala arkitektur til at bøje lys og producere strålende farver uden pigmenter eller farvestoffer, og forskere har forsøgt at efterligne naturens design.

Nu, forskere fra mixed reality -teknologiselskabet Magic Leap Inc., arbejder med forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), har udviklet nye, alsidige måder at kontrollere og forbedre lysbøjningsegenskaberne ved syntetiske optiske nanostrukturer. Magic Leap's teknologi skaber visualiseringer, der tillader virtuelle billeder at sameksistere og interagere med en seers faktiske omgivelser i realtid.

Forskernes præstation, rapporteret i Videnskabelige rapporter , muliggør manipulation af lys over vidvinkler, og på tværs af det synlige lysspektrum, på en meget effektiv måde. Kernen i deres arbejde er en metode til at skabe to typer siliciumbaserede, ultratynde optiske komponenter.

"Vi er nu i stand til at skabe siliciumoverflader, der kan optage lys fra et stort antal inputvinkler og bølgelængder med minimalt tab af diffraktionseffektivitet, "sagde Stefano Cabrini, direktør for Nanofabrication Facility på Berkeley Labs Molecular Foundry, som har specialiseret sig i værktøjer og teknikker til forskning og udvikling i nanoskala.

"Inputfleksibiliteten og graden af ​​kontrol, som disse nanostrukturer har over outputstrålen, er aldrig set før, "Sagde Cabrini.

Mange eksisterende optiske enheder er også designet til at styre og manipulere lys til registrering, billeddannelse, og kommunikation, for eksempel, men deres komponenter kan være omfangsrige og dyre, såsom dem, der bruges i nogle medicinske billeddannelsesmaskiner og DSLR -kameraer.

Ved at krympe disse redskaber ned til nanoskalaen kan der indledes en ny generation af overkommelige enheder med avanceret funktionalitet til telekommunikation, medicin, og forbrugerprodukter. Listen over potentielle applikationer indeholder "smarte" overflader, der kan afvise vand, ultrahurtig databehandling, hologrammer, og endda "usynlige" kapper, der kan skjule objekter ved at manipulere lys.

Den nye teknologi er afhængig af "optiske metasurfaces, "som er todimensionelle strukturer konstrueret til at interagere med lysbølger på måder, som naturlige materialer ikke kan. Materialerne kan have lag, der er et par milliarddeler af en meter (nanometer) tykke, og indeholder optiske antenner i nanoskala, der kan styre refleksion eller transmission af lys. Deres ultratynde natur gør dem lette at integrere i en række forskellige systemer.

Antireflekterende belægninger, såsom dem, der bruges på brilleglas til at reducere blænding, give et enkelt eksempel på optiske metasurfaces. Mange af disse linsebelægninger er fremstillet af ultratynde (målt i hundredvis af nanometer) transparente strukturer, hvis arrangement styrer refleksionen af ​​lys, der kommer ind i linsen.

Forskergruppen fra Magic Leap skabte de nye metasurfaces ved at samarbejde med nanofabrikationseksperter på Molecular Foundry. De huggede et mønster af silicium nanobeams ved hjælp af en fokuseret stråle af elektroner og overførte derefter designet til et ultratyndt lag silicium, kun omkring 20 til 120 nanometer i tykkelse. Disse nanostråler var indrettet til at styre enten transmission eller refleksion af lys.

Disse metaoverflader er et miniaturiseret eksempel på diffraktionsgitre, som har rillede overflader, der kan splitte og bøje lys, og fungere på samme måde som hvordan et prisme opdeler en lysstråle i en regnbue. Rillerne kan arrangeres til at koncentrere det diffrakterede lys til en bestemt rækkefølge for en given bølgelængde, skabe bestemte mønstre.

Tidligere designs af metaoverflader, der kan styre ultrakompakte lysstråler, har været funktionelle, men begrænset. Disse strukturer har en tendens til kun at bøje lys til snævre vinkler, fordi forøgelse af vinklen gør enhederne ineffektive.

Ældre designs blev også begrænset af både lysets indgangsvinkel og bølgelængde. Indgående lys skulle ind i overfladen i en 90-graders vinkel for at undgå et fald i effektiviteten og var begrænset til bølgelængder i det infrarøde spektrum for at undgå problemer med lysabsorption, som begge kan gøre enheder upålidelige eller defekte.

Nanobjælkerne i hvert af de nye designs blev omhyggeligt konstrueret til at styre lyset, når det passerer igennem eller reflekterer fra overfladen. Størrelsen af ​​nanobalkerne og afstanden mellem dem styrer egenskaberne for det spændende lys.

Ved at lave metaoverfladerne af silicium, forskerne var i stand til at drage fordel af fremstillingsteknologi, der er bredt tilgængelig for dette materiale, som gør, at deres arbejde lettere kan skaleres op til masseproduktion.