Metalens kunne forstyrre vakuum-UV-markedet

Rice University fotonikforskere har skabt en potentielt forstyrrende teknologi til markedet for ultraviolet optik.

Ved præcist at ætse hundredvis af bittesmå trekanter på overfladen af ​​en mikroskopisk film af zinkoxid, skabte nanofotonik-pioneren Naomi Halas og kolleger et "metaller", der omdanner indkommende langbølget UV (UV-A) til et fokuseret output af vakuum UV (VUV). ) stråling. VUV bruges i halvlederfremstilling, fotokemi og materialevidenskab og har historisk set været dyrt at arbejde med, til dels fordi det absorberes af næsten alle typer glas, der bruges til at fremstille konventionelle linser.

"Dette arbejde er særligt lovende i lyset af de seneste demonstrationer af, at chipproducenter kan opskalere produktionen af ​​metasurfaces med CMOS-kompatible processer," sagde Halas, medkorresponderende forfatter til en metalens demonstrationsundersøgelse offentliggjort i Science Advances . "Dette er en grundlæggende undersøgelse, men den peger tydeligt på en ny strategi for high-throughput fremstilling af kompakte VUV optiske komponenter og enheder."

Halas' team viste, at deres mikroskopiske metalens kunne konvertere 394 nanometer UV til et fokuseret output på 197 nanometer VUV. Den skiveformede metalens er et gennemsigtigt ark zinkoxid, der er tyndere end et ark papir og kun 45 milliontedele af en meter i diameter. I demonstrationen blev en 394 nanometer UV-A-laser skinnet på bagsiden af ​​skiven, og forskere målte lyset, der kom frem fra den anden side.

Studiets medførsteforfatter Catherine Arndt, en kandidatstuderende i anvendt fysik i Halas' forskningsgruppe, sagde, at hovedtræk ved metalens er dets grænseflade, en frontflade, der er besat med koncentriske cirkler af små trekanter.

"Grænsefladen er der, hvor al fysikken foregår," sagde hun. "Vi bibringer faktisk et faseskift og ændrer både, hvor hurtigt lyset bevæger sig, og retningen det bevæger sig. Vi behøver ikke at indsamle lysoutputtet, fordi vi bruger elektrodynamik til at omdirigere det ved grænsefladen, hvor vi genererer det."

Violet lys har den laveste bølgelængde, der er synlig for mennesker. Ultraviolet har endnu lavere bølgelængder, som spænder fra 400 nanometer til 10 nanometer. Vakuum UV, med bølgelængder mellem 100-200 nanometer, er såkaldt, fordi det er stærkt absorberet af ilt. Brug af VUV-lys i dag kræver typisk et vakuumkammer eller et andet specialiseret miljø samt maskineri til at generere og fokusere VUV.

"Konventionelle materialer genererer normalt ikke VUV," sagde Arndt. "Den er lavet i dag med ikke-lineære krystaller, som er voluminøse, dyre og ofte eksportkontrollerede. Resultatet er, at VUV er ret dyrt."

I tidligere arbejde har Halas, Rice-fysiker Peter Nordlander, tidligere Rice Ph.D. studerende Michael Semmlinger og andre demonstrerede, at de kunne omdanne 394 nanometer UV til 197 nanometer VUV med en zinkoxidmetaoverflade. Ligesom metalenerne var metasfladen en gennemsigtig film af zinkoxid med en mønstret overflade. Men det nødvendige mønster var ikke så komplekst, da det ikke behøvede at fokusere lysoutputtet, sagde Arndt.

"Metalenses udnytter det faktum, at lysets egenskaber ændrer sig, når det rammer en overflade," sagde hun. "For eksempel rejser lys hurtigere gennem luft, end det gør gennem vand. Det er derfor, man får refleksioner på overfladen af ​​en dam. Vandets overflade er grænsefladen, og når sollys rammer grænsefladen, reflekteres lidt af det. "

Det tidligere arbejde viste, at en metasurface kunne producere VUV ved at opkonvertere langbølget UV via en frekvens-doblingsproces kaldet anden harmonisk generation. Men VUV er dyrt, til dels, fordi det er dyrt at manipulere efter det er produceret. Kommercielt tilgængelige systemer til det kan fylde skabe så store som køleskabe eller kompakte biler og koste titusindvis af dollars, sagde hun.

"For en metalens forsøger du både at generere lyset og manipulere det," sagde Arndt. "I det synlige bølgelængderegime er metalens-teknologien blevet meget effektiv. Virtual reality-headset bruger det. Metalenses er også blevet demonstreret i de senere år for synlige og infrarøde bølgelængder, men ingen havde gjort det ved kortere bølgelængder. Og en masse materialer absorberer VUV. Så for os var det bare en overordnet udfordring at se, 'Kan vi gøre det her?'"

For at lave metalens arbejdede Arndt sammen med den korresponderende forfatter Din Ping Tsai fra City University of Hong Kong, som hjalp med at producere den indviklede metalens overflade, og med tre co-first forfattere:Semmlinger, der dimitterede fra Rice i 2020, Ming Zhang, som dimitterede fra Rice i 2021, og Ming Lun Tseng, en assisterende professor ved Taiwans National Yang Ming Chiao Tung University.

Tests hos Rice viste, at metalens kunne fokusere sin 197 nanometer output på en plet, der måler 1,7 mikron i diameter, hvilket øger effekttætheden af ​​lysoutputtet med 21 gange.

Arndt sagde, at det er for tidligt at sige, om teknologien kan konkurrere med state-of-the-art VUV-systemer.

"Det er virkelig fundamentalt på dette stadium," sagde hun. "Men det har et stort potentiale. Det kunne gøres langt mere effektivt. Med denne første undersøgelse var spørgsmålet, "virker det?" I den næste fase vil vi spørge:'Hvor meget bedre kan vi gøre det?'" + Udforsk yderligere

Rekordslående metalens kunne revolutionere optiske teknologier