Ny nanoteknologisk teknik gør bordpladeproduktion af flad optik til en realitet

Forskere fra University of Illinois i Urbana-Champaign har udviklet en forenklet tilgang til fremstilling af flade, ultratynd optik. Den nye tilgang muliggør enkel ætsning uden brug af syrer eller farlige kemiske ætsningsmidler.

"Vores metode bringer os tættere på at gøre gør-det-selv optik til en realitet ved i høj grad at forenkle design iteration trinene, " forklarede Kimani Toussaint, en lektor i mekanisk videnskab og teknik, der ledede forskningen offentliggjort i denne uge i Naturkommunikation . "Processen inkorporerer en nanostruktureret skabelon, der kan bruges til at skabe mange forskellige typer optiske komponenter uden at skulle gå ind i et renrum for at lave en ny skabelon, hver gang en ny optisk komponent er nødvendig.

"I de seneste år, fremstødet for at fremme øget teknologisk innovation og grundlæggende videnskabelig og ingeniørmæssig interesse fra de bredeste samfundssektorer har bidraget til at fremskynde udviklingen af ​​gør-det-selv-komponenter, især dem, der er relateret til billige mikrocontrollerkort, " bemærkede Toussaint. "At forenkle og reducere trinene mellem et grundlæggende design og fremstilling er den primære attraktion ved DIY-sæt, men typisk på bekostning af kvaliteten. Vi præsenterer plasmonassisteret ætsning som en tilgang til at udvide DIY-temaet til optik med kun en beskeden afvejning i kvalitet, specifikt, bordpladefremstilling af plane optiske komponenter."

"Vores metode bruger de intuitive designaspekter af diffraktiv optik ved hjælp af simpel overflademodifikation, og de elektriske feltforstærkende egenskaber af metal nanoantenner, som typisk er byggestenene i metasurfaces, " sagde Hao Chen, en tidligere postdoc-forsker i Toussaints laboratorium og første forfatter til papiret, "Mod gør-det-selv plane optiske komponenter ved hjælp af plasmonassisteret ætsning."

Ifølge Chen, laserlys scanner skabelonen – et 2D-array af guldsøjle-understøttede bowtie nanoantenner (med et areal på 80 x 80 kvadratmikrometer) – som er nedsænket i vand, i et ønsket mønster i et mikroskop. Interaktionen mellem lys og stof, forstærket af nanoantennerne, giver en stærk varmeeffekt. Som resultat, guldlaget på nanoantennerne gennemgår termisk ekspansion, der modvirker dets adhæsion med deres glassubstrat. Med en vis mængde optisk effekt, kraften fra termisk ekspansion tillader guldlaget at bryde væk fra underlaget, ætsning af metallet.

"Samlet set, arbejdsbyrden i renrummet reduceres kraftigt, " bemærkede Chen. "Når skabelonen er klar, det er som et papirark. Du kan 'tegne' alle de optiske elementer, du har brug for, på et 'lærred' ved hjælp af et konventionelt laser-scanning optisk mikroskop."

Undersøgelsen viste fremstilling af forskellige ultratynde (karakteristisk dimension mindre end den optiske bølgelængde), flade optiske komponenter ved hjælp af den samme skabelon. De specifikke optiske komponenter fremstillet af forskerne omfattede en flad fokuseringslinse (også kendt som en Fresnel-zoneplade) med brændvidde på ~150 mikrometer, et diffraktionsgitter, og en holografisk konverter, der giver vinkelmomentum til en standard optisk stråle.

Ifølge forskerne, PAE-metoden og den specialiserede skabelon kunne også bruges til at muliggøre præferenceindfangning og sortering af partikler, at skabe såkaldte optofluidkanaler "uden vægge."

Toussaint leder PROBE-laboratoriet i Department of Mechanical Science and Engineering i Illinois. Ud over Toussaint og Chen, studie medforfattere inkluderer kandidatstuderende Qing Ding, tidligere kandidatstuderende Abdul Bhuiya, og Harley T. Johnson, en professor i mekanisk videnskab og teknik ved Illinois.