Forskere udvikler nye metasurfaces til dyb UV-billeddannelse

Russiske forskere har udviklet et nyt materiale, der konverterer infrarødt lys til ultrakorte pulser af ultraviolet. Til dette formål, forskerne udsatte siliciumfilm for en laser, så dens relief tilpassede sig under lysbølgelængden og gjorde materialets egenskaber resonante. Resultatet var en billig og let at lave metasoverflade lige så effektiv som eksisterende. Den nye teknologi kan anvendes i kompakte UV -generatorer til biofotonik og medicin, og også enheder til ultradens databehandling i optisk kommunikation. Undersøgelsen blev offentliggjort i Nanoskala .

Biologiske medier kan afspejle, absorbere, sprede og genudsende lysbølger. Hver af disse processer indeholder oplysninger om mikro- og makrostruktur af medierne, samt form og bevægelse af dets komponenter. I denne henseende dyb ultraviolet er et lovende værktøj til biologi og medicin. Dens anvendelse omfatter laserdiagnostik og kontrol af hurtige processer i celler, laserterapi og kirurgi på molekylært niveau.

Forskere fra ITMO University og Saint Petersburg Academic University har udviklet en ny metode til fremstilling af nanostrukturer, som er i stand til at konvertere infrarødt lys til dyb ultraviolet. Strukturen er en film med en regelmæssig masse nanolumpe - metasurface. Det genereres ved at udstråle siliciumfilm, hvis tykkelse er 100 nanometer, med ultrakort eller femtosekund laserpulser, der danner dens relief. På filmoverfladen, laseren smelter sådanne nanolumpumper, som kun resonerer med sin bølgelængde og dermed tillader mere stråling at blive til ultraviolet. Med andre ord, laseren justerer metasoverfladen til sig selv. Når reliefen dannes, forskerne reducerer effekten, så filmen begynder at konvertere stråling uden deformation.

Forskerne har formået ikke kun at konvertere infrarødt lys til violet, men også for at få dyb ultraviolet. Sådan stråling er stærkt lokaliseret, har meget kort bølgelængde og fordeler sig som femtosekundspulser. "For første gang, vi har skabt en metasurface, der stabilt udsender femtosekundpulser med høj effekt i det ultraviolette område, "bemærker Anton Tsypkin, assistent for ITMOs afdeling for fotonik og optisk informationsteknologi. "Sådan lys kan anvendes i biologi og medicin, da femtosekundspulser påvirker biologiske objekter mere præcist. "

For eksempel, ved hjælp af dyb UV, forskere kan forestille sig et molekyle under dets kemiske transformation og forstå, hvordan de skal håndtere det. "Et femtosekund i forhold til et sekund er næsten som et sekund i forhold til universets levetid. Det er endnu hurtigere end vibrationer af atomer i molekyler. Så korte pulser kan fortælle os meget om stofstruktur i bevægelse, "siger første forfatter Sergey Makarov, seniorforsker i ITMOs afdeling for nanofotonik og metamaterialer.

Den nye teknologi kan også finde applikationer inden for optisk kommunikation. "Brug af ultrakorte laserpulser til datatransmission, vi vil gøre strømmen tættere og forbedre dens hastighed. Det vil øge ydeevnen for systemer til overførsel og behandling af oplysninger. Derudover vi kan integrere sådanne metasurfaces i en optisk chip for at ændre strålefrekvens. Dette vil hjælpe med at adskille datastrømme og muliggøre større computing på samme tid, "kommenterer Anton Tsypkin.

Metasoverfladen opnået på denne måde er en monolitisk struktur, i modsætning til at blive samlet af isolerede partikler, som det var før. Den leder varme bedre og lever dermed længere uden overophedning.

I fotonik, forskere skal altid søge kompromis. Standard ikke -lineære krystaller, der bruges til ultraviolet generation, er store, men kan omdanne op til 20 procent af strålingen. En sådan effektivitet er højere end metasurfaces, men laserpulser forlænges inde i krystaller. "Dette sker, fordi en laserstråle indeholder mange bølgelængder, der kun adskiller sig fra hinanden ved flere årtiers nanometer. Sådan variation er nok til at få nogle bølger til at overgå andre. For at gøre pulser ultrakort igen, yderligere dyre enheder kræves, "forklarer Makarov.

Tynde strukturer som metasurfaces tillader ikke laserpulser at fejljustere, men har stadig en lav effektivitet. Desuden, både metasoverflader og krystaller er normalt dyre og vanskelige at lave. Imidlertid, i den nye undersøgelse, forskerne har formået at gøre metasurface fremstilling meget lettere og billigere, og på samme tid, disse overflader er lige så effektive som deres dyre modstykker.