Forskere udvikler farvefiltre, der reagerer på vinklen af ​​indfaldende lys

Forestil dig en miniature-enhed, der fylder hvert værelse i dit hus med en anden regnbuens nuance - lilla til stuen, måske, blå til soveværelset, grøn til køkkenet. Et hold ledet af forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har, for første gang, udviklet enheder i nanoskala, der opdeler indfaldende hvidt lys i dets komponentfarver baseret på belysningsretningen, eller dirigerer disse farver til et forudbestemt sæt outputvinkler.

Set på afstand, enheden, omtalt som et retningsbestemt farvefilter, ligner et diffraktionsgitter, en flad metaloverflade, der indeholder parallelle riller eller slidser, der deler lyset i forskellige farver. Imidlertid, i modsætning til et gitter, rillerne i nanometerskala, der er ætset ind i den uigennemsigtige metalfilm, er ikke periodiske – ikke lige adskilte. De er enten et sæt rillede linjer eller koncentriske cirkler, der varierer i afstand, meget mindre end bølgelængden af ​​synligt lys. Disse egenskaber formindsker størrelsen af ​​filteret og gør det muligt for det at udføre mange flere funktioner, end et gitter kan.

For eksempel, enheden er uensartet, eller aperiodisk, gitteret kan skræddersyes til at sende en bestemt bølgelængde af lys til ethvert ønsket sted. Filteret har flere lovende applikationer, herunder generering af tæt placeret rød, grønne og blå farvepixel til skærme, høst af solenergi, sansning af retningen af ​​indkommende lys og måling af tykkelsen af ​​ultratynde belægninger placeret oven på filteret.

Ud over selektiv filtrering af indkommende hvidt lys baseret på kildens placering, filteret kan også fungere på en anden måde. Ved at måle spektret af farver, der passerer gennem et filter, der er specialdesignet til at aflede specifikke bølgelængder af lys i bestemte vinkler, forskere kan lokalisere placeringen af ​​en ukendt lyskilde, der rammer enheden. Dette kan være afgørende for at afgøre, om denne kilde, for eksempel, er en laser rettet mod et fly.

"Vores retningsfilter, med sin aperiodiske arkitektur, kan fungere på mange måder, som grundlæggende ikke er opnåelige med en enhed såsom et gitter, som har en periodisk struktur, " sagde NIST-fysiker Amit Agrawal. "Med denne specialdesignede enhed, vi er i stand til at manipulere flere bølgelængder af lys samtidigt."

Matthew Davis og Wenqi Zhu fra NIST og University of Maryland, sammen med Agrawal og NIST fysiker Henri Lezec, beskrev deres arbejde i den seneste udgave af Naturkommunikation . Arbejdet blev udført i samarbejde med Syracuse University og Nanjing University i Kina.

Funktionen af ​​det retningsbestemte farvefilter er afhængig af interaktionen mellem de indkommende lyspartikler - fotoner - og havet af elektroner, der flyder langs overfladen af ​​et metal. Fotoner, der rammer metaloverfladen, skaber krusninger i dette elektronhav, genererer en speciel type lysbølge – plasmoner – der har en meget mindre bølgelængde end den oprindelige lyskilde.

Designet og betjeningen af ​​aperiodiske enheder er ikke så intuitive og ligetil som deres periodiske modstykker. Imidlertid, Agrawal og hans kolleger har udviklet en simpel model til at designe disse enheder. Hovedforfatter Matthew Davis forklarede, "denne model giver os mulighed for hurtigt at forudsige den optiske respons af disse aperiodiske designs uden at stole på tidskrævende numerisk tilnærmelse, derved reducerer designtiden markant, så vi kan fokusere på enhedsfabrikation og -test."