Todos los días nos enfrentamos a procesos y fenómenos que ni siquiera notamos, o más bien, ni siquiera vemos. Algunos de ellos los entendemos, y otros solo tenemos que entenderlos. Pero los trabajos de la comunidad científica nunca se limitaron a comprender nada, porque una persona siempre quiso no solo comprender, sino poner en práctica sus conocimientos, y esto a menudo significa solo una cosa: el control. Hoy nos reuniremos con usted en un estudio en el que los científicos de la Universidad de Washington pudieron crear un nuevo metamaterial que puede manipular la luz a escala nanométrica. ¿Cuáles son las características de su dispositivo, qué papel desempeñó el trabajo de Gustav Mi en esto y cuál es la implementación práctica de esta innovación? Aprendemos sobre esto del informe del grupo de investigación. Vamos
Base de estudio
Los antepasados de este estudio son elementos ópticos basados en conjuntos de dispersores dieléctricos discretos que pueden controlar la amplitud local y la fase de los campos ópticos. Tales desarrollos han permitido miniaturizar elementos ópticos tradicionales como lentes y retroreflectores. Además, las matrices de dispersores dieléctricos se convirtieron en la base de nuevos elementos ópticos multifuncionales basados en polarización o multiplexación de ondas y funciones de dispersión de puntos.
Por el momento, la gran mayoría de las investigaciones en esta área se llevaron a cabo con un enfoque intuitivo de métodos de diseño directo. Dichos métodos realizan el perfil de fase deseado utilizando bibliotecas difusoras discretas precompiladas. Las propiedades de tales dispersores se calculan teniendo en cuenta las condiciones de contorno periódicas cuando se supone que un dispersador se comporta de la misma manera que un conjunto de dispersores. Esta aproximación, comúnmente conocida como la aproximación de fase local, descuida las diferencias en las interacciones entre los dispersores adyacentes en el elemento óptico, lo que es inaceptable para un perfil de fase con un gradiente pronunciado. Además, en ausencia de un perfil de fase conocido, este enfoque no puede usarse para crear un elemento óptico.
Los métodos de ingeniería inversa comienzan por determinar el factor de calidad en función de los parámetros ajustables del difusor, que intentan encapsular con precisión las características del elemento óptico. Es decir, el algoritmo calcula el factor de calidad y su gradiente para una configuración dada de dispersores dieléctricos, y no selecciona la configuración en sí por ensayo y error. El algoritmo luego se acerca a la configuración, utilizando el gradiente como la dirección actualizada para optimizar el factor de calidad.
El método de ingeniería inversa en este caso nos permite estudiar aquellas configuraciones de difusores que serían ignorados por los métodos intuitivos de diseño directo.
El método de ingeniería inversa se ha utilizado anteriormente con éxito en la creación de nanoestructuras de plasmón y elementos fotónicos integrados dieléctricos planos, así como en el reciente desarrollo de elementos ópticos bidimensionales basados en dispersores. Los dispositivos resultantes mostraron una mayor eficiencia de la desviación del haz en un gran ángulo y lentes multicapa.
Sin embargo, debido a la necesidad de una gran cantidad de memoria y escasa escalabilidad para sistemas grandes que consisten en elementos pequeños, los métodos de ingeniería inversa se pueden aplicar solo a elementos bidimensionales o celdas elementales tridimensionales muy pequeñas.
Naturalmente, esto no detuvo a los científicos de la Universidad de Washington, por lo que decidieron intentar aplicar el método de ingeniería inversa en su investigación, pero hicieron algunos cambios y adiciones. Como resultado, lograron crear PSF (funciones de dispersión de puntos) en tres dimensiones utilizando el método de ingeniería inversa basado en gradiente para matrices de dispersores esféricos Mie.
Antes de sumergirse en el abismo de los resultados de la investigación, un poco de comprensión de la terminología.
En primer lugar, metamateriales. Este término se refiere a sistemas complejos cuyas propiedades se caracterizan no por las propiedades del material del que están compuestos, sino por la estructura del sistema mismo.
Todos recordamos que una bandeja de 30 huevos puede soportar un peso considerable, pero esto no significa la fuerza de la cáscara. La cáscara en sí misma no es tan fuerte, pero la "bandeja de huevos" es nuestro metamaterial, un sistema cuya fuerza no depende de la fuerza de la cáscara, sino de la cantidad de huevos y su posición.
Un ejemplo de una estructura compleja de metamateriales.Un ejemplo similar sería una caja de cartón con muchas particiones en el interior (como una parrilla). El hecho de que dicha caja pueda soportar un gran peso no significa la resistencia del cartón, sino que es solo una consecuencia de la estructura específica de la caja, es decir, Una consecuencia de la presencia de particiones.
En segundo lugar, la dispersión de Mi. Gustav Mi (1868-1957) es un físico alemán que estudió y explicó activa y exitosamente la electrodinámica y la teoría de la relatividad. Es mejor conocido por su solución de la ecuación de Maxwell: la dispersión de la luz por una partícula esférica.
Gustav MiLa esencia de su decisión está en relación con el tamaño de partícula y la longitud de onda que cae sobre esta partícula. Hay tres opciones para el desarrollo de eventos: la partícula es mucho más pequeña que la longitud de onda, son casi iguales y la partícula es mucho más grande que la longitud de onda.
En el primer caso, obtenemos la dispersión de Rayleigh, es decir, la dispersión sin cambiar la longitud de onda de las partículas. En esta situación, la partícula está polarizada por una onda electromagnética externa, lo que conduce a la excitación de un dipolo alterno, que oscila en el tiempo con la frecuencia de la onda externa. Por lo tanto, obtenemos un diagrama de directividad de la luz que es característico precisamente del momento dipolar.
En el segundo caso, el patrón de directividad es complicado, porque hay ondas de interferencia (aumento / disminución mutua en la amplitud de varias ondas cuando se superponen entre sí) reflejadas desde diferentes puntos en la superficie de la partícula.
En el tercer caso, cuando la partícula prevalece en tamaño, su superficie se comportará como un plano, debido a lo cual ocurrirá la refracción y el reflejo de la luz.
Resultados de la investigación
En su trabajo, los científicos prepararon y probaron en la práctica elementos ópticos para longitudes de onda de 1,55 y 3 micras. Las dimensiones de los sistemas estudiados fueron 114 x 114 micras y 200 x 200 micras. Los sistemas de este tamaño, según los propios investigadores, son un récord para aquellos que se desarrollaron utilizando ingeniería inversa.
El perfil de intensidad para todos los dispositivos probados con ambas longitudes de onda se estableció como una espiral discreta definida por ocho puntos focales a lo largo del eje óptico. Cada uno de estos puntos está ubicado en un plano focal separado, dividido a lo largo del eje óptico por 28 μm para una longitud de onda de 1,55 μm y 57 μm una longitud de onda de 3 μm. Los puntos focales se encuentran en círculos con un radio de 12 μm para una longitud de onda de 1,55 y 20 μm para una longitud de onda de 3 μm.
Imagen No. 1: A es una representación esquemática de la ubicación de las esferas, B es una imagen SEM de 1.55 μm de un dispositivo recubierto con oro, C y D son errores de producción en el dispositivo.* SEM - microscopio electrónico de barrido.
Se utilizó un sistema litográfico de dos fotones para fabricar los dispositivos. Durante el proceso de fabricación, utilizamos una lente de 63x combinada con una resistencia IP-Dip (n ~ 1.47 en las longitudes de onda calculadas), que proporciona la máxima resolución posible durante la fabricación (~ 200 nm).
La tarea principal en la etapa de fabricación es crear un conjunto de esferas idénticas en una cuadrícula cuadrada en el vacío. El sustrato no se usó, ya que su efecto sobre el rendimiento del dispositivo fue extremadamente insignificante.
La frecuencia esférica para un dispositivo con una longitud de onda de 1,55 μm se ajustó a 2,42 μm (superwave), y para un dispositivo con una longitud de onda de 3 μm, 2,9 μm (subwave).
Como podemos ver en las imágenes
1C y
1D , no todas las esferas son esferas, es decir Algunos de ellos son de forma irregular. Dichos errores de producción no se tuvieron en cuenta en el modelado y la optimización.
Imagen No. 2: operación de un dispositivo de 1.55 micras durante la simulación y durante las pruebas reales.Durante las pruebas, se utilizaron dos microscopios separados para cada dispositivo (1.55 y 3 μm). Durante los experimentos, se descubrió que el elemento óptico crea un punto claro (punto) de alta intensidad, que corresponde a las predicciones de modelado. Sin embargo, el experimento muestra un contraste más bajo entre el punto focal y el fondo en comparación con la simulación. Además, en las fotografías
2E ,
2F y
2N , los puntos calientes más pequeños de intensidad significativa, que no estaban presentes en la simulación, son claramente visibles.
Los puntos focales reales se crean en la ubicación espacial correcta en el plano, sin embargo, existe un ligero desplazamiento entre las posiciones esperadas del punto focal a lo largo del eje óptico para los puntos focales mostrados en
2M y
2N . Los científicos explican estas discrepancias en el modelado y los experimentos con errores de producción.
A continuación, se realizó una comparación de la ubicación de los puntos focales en el plano durante la simulación y durante los experimentos. Los puntos simulados (rojos) que se muestran en
3A se encuentran en un círculo negro discontinuo con un radio de 12 μm.
Imagen No. 3: A - la ubicación de los puntos focales, B - la diferencia en la posición de los puntos simulados y experimentales.Los puntos experimentales (azules) se adhieren en gran medida a la misma forma y comportamiento correspondientes a un factor Q dado. Sin embargo, hay algunos errores: el primer y el último punto no se encuentran perfectamente entre sí (1 y 8 en la imagen
3A ). Dichas discrepancias pueden asociarse tanto con errores durante la producción como con errores durante la caracterización óptica.
Esta técnica no está exenta de problemas. La principal desventaja en este momento debe considerarse limitada exclusivamente por dispersores esféricos y un bajo índice de refracción. La dispersión de Mie se puede combinar con la teoría de las matrices T, que permite el uso de partículas de forma arbitraria (cilindros, elipsoides, etc.). En particular, la combinación del método estudiado con dispersores cilíndricos permitiría aplicar este método a procesos clásicos para la producción de semiconductores binarios. Además, la aplicación de la teoría de las matrices T mejorará los índices de refracción, que son un componente importante del grado de rendimiento de un elemento óptico.
Para conocer más detalladamente los matices del estudio, le recomiendo que examine el
informe de los científicos y los
materiales adicionales .
Epílogo
En este estudio, los científicos pudieron demostrar con éxito en la práctica un método de diseño utilizando la retrodispersión de Mie, que le permite establecer campos ópticos en tres dimensiones y es muy adecuado para grandes conjuntos de dispersores dieléctricos discretos. Este método permite el uso más eficiente de las propiedades de los difusores individuales en beneficio del sistema común para ellos.
Durante los experimentos, los científicos probaron este método desarrollando un elemento óptico que crea un diagrama de enfoque óptico en espiral discreto. Tal elemento que crea un PSF similar a una lente se puede usar en sistemas de visualización asociados con la extracción de elementos en ciertos planos de profundidad sin realizar una operación de desconvolución.
Este trabajo es el primer paso hacia la implementación de la idea de la óptica "flexible", cuando es posible crear elementos ópticos cuyas propiedades serán ideales para tareas específicas.
¡Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana de trabajo, muchachos! :)
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