Nyt metasurface design kan styre optiske felter i tre dimensioner

Et team ledet af forskere ved University of Washington har designet og testet et 3D-trykt metamateriale, der kan manipulere lys med nanoskala præcision. Som de rapporterer i et papir, der blev offentliggjort den 4. oktober i tidsskriftet Videnskab fremskridt , deres designede optiske element fokuserer lys til diskrete punkter i et 3-D spiralformet mønster.

Teamets designprincipper og eksperimentelle fund viser, at det er muligt at modellere og konstruere metamaterialeapparater, der præcist kan manipulere optiske felter med høj rumlig opløsning i tre dimensioner. Selvom teamet valgte et spiralformet mønster - en spiral spiral - for deres optiske element til at fokusere lys, deres tilgang kunne bruges til at designe optiske elementer, der styrer og fokuserer lys i andre mønstre.

Enheder med dette niveau af præcisionskontrol over lys kunne ikke kun bruges til at miniaturisere nutidens optiske elementer, såsom linser eller retroreflektorer, men også at realisere nye sorter. Ud over, design af optiske felter i tre dimensioner kan muliggøre oprettelse af ultrakompakte dybdesensorer til autonom transport, samt optiske elementer til displays og sensorer i virtuelle eller augmented reality-headsets.

"Denne rapporterede enhed har virkelig ingen klassisk analog i brydningsoptik-den optik, vi støder på i vores daglige liv, "sagde den tilsvarende forfatter Arka Majumdar, en UW -assistent i elektroteknik og computerteknik og fysik, og fakultetsmedlem ved UW Institute for Nano-Engineered Systems og Institute for Molecular &Engineering Sciences. "Ingen har virkelig lavet en enhed som denne før med dette sæt muligheder."

Holdet, som omfatter forskere ved Air Force Research Laboratory og University of Dayton Research Institute, tog en mindre anvendt tilgang inden for feltet optiske metamaterialer til at designe det optiske element:omvendt design. Ved hjælp af omvendt design, de startede med den type optisk feltprofil, de ønskede at generere - otte fokuserede lyspunkter i et spiralformet mønster - og designede en metamaterialeflade, der ville skabe det mønster.

"Vi kender ikke altid intuitivt den passende struktur af et optisk element givet en specifik funktionalitet, "sagde Majumdar." Det er her det inverse design kommer ind:Du lader algoritmen designe optikken. "

Selvom denne tilgang virker ligetil og undgår ulemperne ved design-og-fejl-designmetoder, omvendt design bruges ikke i vid udstrækning til optisk aktive store metamaterialer, fordi det kræver et stort antal simuleringer, gør omvendt design beregningsmæssigt intensivt.

Her, holdet undgik denne faldgrube takket være en indsigt fra Alan Zhan, hovedforfatter på papiret, der for nylig tog UW en doktorgrad i fysik. Zhan indså, at teamet kunne bruge Mie -spredningsteori til at designe det optiske element. Mie -spredning beskriver, hvordan lysbølger med en bestemt bølgelængde spredes af kugler eller cylindre, der i størrelse ligner den optiske bølgelængde. Mie -spredningsteori forklarer, hvordan metalliske nanopartikler i farvet glas kan give visse kirkevinduer deres dristige farver, og hvordan andre farvede glasartefakter ændrer farve i forskellige lysbølgelængder, ifølge Zhan.

"Vores implementering af Mie -spredningsteori er specifik for bestemte former - sfærer - hvilket betød, at vi var nødt til at inkorporere disse former i designet af det optiske element, "sagde Zhan." Men, afhængig af Mie -spredningsteori forenklet design- og simuleringsprocessen betydeligt, fordi vi kunne gøre meget specifikke, meget præcise beregninger om lysets egenskaber, når det interagerer med det optiske element. "

Deres fremgangsmåde kunne anvendes til at omfatte forskellige geometrier, såsom cylindre og ellipsoider.

Det optiske element, teamet designede, er i det væsentlige en overflade dækket af tusindvis af små kugler i forskellige størrelser, arrangeret i et periodisk firkantet gitter. Ved hjælp af kugler forenklet designet, og teamet brugte en kommercielt tilgængelig 3D-printer til at fremstille to prototype optiske elementer-den største af de to med sider på kun 0,02 centimeter lange-på Washington Nanofabrication Facility på UW-campus. De optiske elementer blev 3D-trykt ud af en ultraviolet epoxy på glasoverflader. Et element blev designet til at fokusere lyset ved 1, 550 nanometer, den anden på 3, 000 nanometer.

Forskerne visualiserede de optiske elementer under et mikroskop for at se, hvor godt de udførte som designet - med fokus på lys fra enten 1, 550 eller 3, 000 nanometer på otte specifikke punkter langs et 3D-spiralformet mønster. Under mikroskopet, mest fokuserede lyspunkter var på de positioner, der blev forudsagt af teamets teoretiske simuleringer. For eksempel, for 1, 550-nanometer bølgelængdenhed, seks af otte fokuspunkter var i den forudsagte position. De resterende to viste kun mindre afvigelser.

Med den høje ydeevne af deres prototyper, teamet vil gerne forbedre designprocessen for at reducere baggrundslysniveauer og forbedre nøjagtigheden af ​​placeringen af ​​fokuspunkterne, og at inkorporere andre designelementer, der er kompatible med Mie -spredningsteori.

"Nu hvor vi har vist, at de grundlæggende designprincipper fungerer, der er masser af retninger, vi kan gå med dette niveau af præcision i fremstilling, "sagde Majumdar.

En særlig lovende retning er at gå videre end en enkelt overflade for at skabe en ægte volumen, 3D-metamateriale.

"3D-udskrivning giver os mulighed for at oprette en stak af disse overflader, hvilket ikke var muligt før, "sagde Majumdar.