التحكم في الإضاءة: نوع جديد من العناصر البصرية يعتمد على المواد الأولية

نواجه كل يوم عمليات وظواهر لا نلاحظها ، أو حتى لا نراها. بعضنا نفهمه ، والبعض الآخر علينا فقط أن نفهمه. لكن أعمال المجتمع العلمي لم تقتصر أبدًا على فهم أي شيء ، لأن الشخص كان يريد دائمًا أن لا يفهم فقط ، بل يضع معرفته موضع التنفيذ ، وهذا يعني في أغلب الأحيان شيئًا واحدًا فقط - التحكم. سنلتقي بكم اليوم دراسة تمكن فيها علماء من جامعة واشنطن من إنشاء مادة جديدة يمكن معالجتها بالضوء على مقياس نانومتر. ما هي ميزات أجهزتهم ، وما هو الدور الذي لعبه غوستاف مي في هذا ، وما هو التطبيق العملي لهذا الابتكار؟ نتعرف على هذا من تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

إن أسلاف هذه الدراسة عبارة عن عناصر بصرية تعتمد على صفائف من تشتت عازل منفصل يمكن أن يتحكم في السعة المحلية ومرحلة الحقول البصرية. هذه التطورات جعلت من الممكن تصغير العناصر البصرية التقليدية مثل العدسات والعاكسات. بالإضافة إلى ذلك ، أصبحت صفائف مبعثر العزل الكهربائي أساسًا للعناصر البصرية متعددة الوظائف الجديدة القائمة على الاستقطاب أو مضاعفة الموجات ووظائف تشتت النقاط.

في الوقت الحالي ، تم إجراء الغالبية العظمى من الأبحاث في هذا المجال مع مراعاة الأساليب الموجهة بشكل حدسي للتصميم المباشر. تدرك هذه الطرق ملف المرحلة المرغوب باستخدام مكتبات الناشر المنفصلة المترجمة مسبقًا. تُحسب خصائص هذه المبعثرات مع مراعاة شروط الحدود الدورية عندما يُفترض أن مبعثرًا واحدًا يتصرف بنفس طريقة صفيف المبعثرات. هذا التقريب ، المعروف باسم تقريب الطور المحلي ، يهمل الاختلافات في التفاعلات بين الانتثار المجاور في العنصر البصري ، وهو أمر غير مقبول لملف تعريف الطور ذي التدرج الحاد. بالإضافة إلى ذلك ، في حالة عدم وجود ملف تعريف طور معروف ، لا يمكن استخدام هذا النهج لإنشاء عنصر بصري.

تبدأ أساليب الهندسة العكسية بتحديد عامل الجودة كدالة للمعلمات القابلة للضبط الخاصة بالناشر ، والتي تحاول تغليف خصائص العنصر البصري بدقة. بمعنى أن الخوارزمية تحسب عامل الجودة والتدرج اللوني لتكوين معين من الانتثار العازل ، ولا تحدد التكوين نفسه عن طريق التجربة والخطأ. تقوم الخوارزمية بعد ذلك بالاقتراب من التكوين ، باستخدام التدرج اللوني باعتباره الاتجاه المحدث لتحسين عامل الجودة.

طريقة الهندسة العكسية في هذه الحالة تسمح لنا بدراسة تلك التكوينات من الناشرون التي سيتم تجاهلها بواسطة أساليب التصميم المباشر بديهية.

سبق استخدام طريقة الهندسة العكسية بنجاح في إنشاء هياكل نانوية plasmon وعناصر ضوئية متكاملة مستوية عازلة ، وكذلك في التطوير الحديث لعناصر بصرية ثنائية الأبعاد تعتمد على الانتثار. أظهرت الأجهزة الناتجة زيادة كفاءة انحراف الشعاع بزاوية كبيرة وعدسات متعددة الطبقات.

ومع ذلك ، نظرًا للحاجة إلى قدر كبير من الذاكرة وضعف قابلية التوسع للأنظمة الكبيرة التي تتكون من عناصر صغيرة ، لا يمكن تطبيق أساليب الهندسة العكسية إلا على العناصر ثنائية الأبعاد أو الخلايا الأولية ثلاثية الأبعاد الصغيرة جدًا.

بطبيعة الحال ، هذا لم يمنع العلماء من جامعة واشنطن ، لذلك قرروا محاولة تطبيق طريقة الهندسة العكسية في أبحاثهم ، لكنهم قاموا ببعض التغييرات والإضافات. نتيجة لذلك ، تمكنوا من إنشاء PSF (وظائف تشتت النقاط) في ثلاثة أبعاد باستخدام طريقة الهندسة العكسية القائمة على التدرج لصفائف مبعثر Mie الكروية.

قبل الغوص في هاوية نتائج البحث ، وفهم القليل من المصطلحات.

أولا ، metamaterials. يشير هذا المصطلح إلى الأنظمة المعقدة التي لا تتميز خصائصها بخصائص المادة التي تتألف منها ، بل تشير إلى بنية النظام نفسه.

نتذكر جميعًا أن صينية مكونة من 30 بيضة يمكنها تحمل وزن كبير ، لكن هذا لا يعني قوة القشرة. القشرة نفسها ليست قوية للغاية ، ولكن "علبة البيض" هي مادةنا - وهي نظام لا تعتمد قوته على قوة القشرة ، ولكن على عدد البيض وموقعه.


مثال على بنية معقدة من المواد الوصفية.

مثال مماثل سيكون صندوق من الورق المقوى مع أقسام كثيرة داخل (مثل شواء). حقيقة أن مثل هذا الصندوق يمكنه تحمل الوزن الثقيل لا يعني قوة الورق المقوى ، ولكنه مجرد نتيجة للبنية المحددة للمربع ، أي نتيجة لوجود أقسام.

ثانيا ، تشتت مي. غوستاف مي (1868-1957) هو فيزيائي ألماني درس بنشاط وبنجاح وشرح الديناميكا الكهربائية ونظرية النسبية. تشتهر بحلها لمعادلة ماكسويل - تشتت الضوء بواسطة جسيم كروي.


غوستاف مي

جوهر قراره يتعلق بحجم الجسيمات والطول الموجي الذي يقع على هذا الجسيم. هناك ثلاثة خيارات لتطور الأحداث: يكون الجسيم أصغر بكثير من طول الموجة ، فهي متساوية تقريبًا والجسيم أكبر بكثير من طول الموجة.

في الحالة الأولى ، نحصل على تناثر رايلي ، أي نثر دون تغيير الطول الموجي للجسيمات. في هذه الحالة ، يتم استقطاب الجسيم بواسطة موجة كهرومغناطيسية خارجية ، مما يؤدي إلى إثارة ثنائي القطب المتناوب ، والذي يتذبذب في الوقت المناسب مع تردد الموجة الخارجية. وبالتالي ، نحصل على مخطط الاتجاهية للضوء الذي يتميز بدقة لحظة ثنائي القطب.

في الحالة الثانية ، يكون نمط الاتجاهية معقدًا ، لأن هناك موجات تداخل (الزيادة / النقص المتبادل في سعة عدة موجات عند تراكبها على بعضها البعض) تنعكس من نقاط مختلفة على سطح الجسيمات.

في الحالة الثالثة ، عندما يسود حجم الجسيم ، فإن سطحه سوف يتصرف مثل الطائرة ، بسبب حدوث انكسار وانعكاس الضوء.

نتائج البحوث

في عملهم ، أعد العلماء واختبروا في الممارسة عناصر بصرية لأطوال موجية 1.55 و 3 ميكرون. كانت أبعاد الأنظمة المدروسة 114 × 114 ميكرون و 200 × 200 ميكرون. نظم هذا الحجم ، وفقا للباحثين أنفسهم ، هي سجل لتلك التي تم تطويرها باستخدام الهندسة العكسية.

تم تعيين ملف تعريف الكثافة لجميع الأجهزة التي تم اختبارها بكلتا الأطوال الموجية على شكل لولبية منفصلة تحددها ثماني نقاط محورية على طول المحور البصري. تقع كل من هذه النقاط في مستوى بؤري منفصل ، مقسومًا على المحور البصري بمقدار 28 ميكرون لطول موجة يبلغ 1.55 ميكرون و 57 ميكرون بطول موجة يبلغ 3 ميكرون. تقع نقاط الاتصال على دوائر بنصف قطر 12 ميكرون لطول موجة يبلغ 1.55 و 20 ميكرون لطول موجة 3 ميكرون.


الصورة رقم 1: A هي تمثيل تخطيطي لموقع الكرات ، B هي صورة SEM تبلغ 1.55 ميكرون لجهاز مطلي بالذهب ، C و D هي أخطاء في الإنتاج على الجهاز.

* SEM - مسح المجهر الإلكتروني.

تم استخدام نظام ليثوغرافي ثنائي الفوتون لتصنيع الأجهزة. أثناء عملية التصنيع ، استخدمنا عدسة 63x مقترنة بمقاوم IP-Dip (n ~ 1.47 عند الأطوال الموجية المحسوبة) ، والذي يعطي أقصى دقة ممكنة أثناء التصنيع (حوالي 200 نانومتر).

تتمثل المهمة الرئيسية في مرحلة التصنيع في إنشاء مجموعة من المجالات المتطابقة على شبكة مربعة في فراغ. لم يتم استخدام الركيزة ، لأن تأثيره على أداء الجهاز كان ضئيل للغاية.

تم تعيين التردد الكروي لجهاز بطول موجة من 1.55 ميكرون إلى 2.42 ميكرون (الموجات الفائقة) ، ولجهاز بطول موجة من 3 ميكرون ، 2.9 ميكرون (موجة فرعية).

كما نرى في الصور 1C و 1 D ، ليست كل المجالات عبارة عن كرات ، أي بعضها غير منتظم في الشكل. لم تؤخذ مثل هذه الأخطاء الإنتاج في الاعتبار في النمذجة والتحسين.


الصورة رقم 2: تشغيل جهاز 1.55 ميكرون أثناء المحاكاة وخلال الاختبارات الفعلية.

أثناء الاختبار ، تم استخدام اثنين من المجاهر منفصلة لكل جهاز (1.55 و 3 ميكرون). خلال التجارب ، وجد أن العنصر البصري يخلق نقطة (نقطة) واضحة عالية الكثافة ، والتي تتوافق مع توقعات النمذجة. ومع ذلك ، تُظهر التجربة تباينًا أقل بين النقطة المحورية والخلفية مقارنةً بالمحاكاة. بالإضافة إلى ذلك ، في الصور الفوتوغرافية 2E و 2F و 2N ، تكون النقاط الساخنة الأصغر ذات الكثافة الكبيرة ، والتي لم تكن موجودة في المحاكاة ، مرئية بوضوح.

يتم إنشاء نقاط الاتصال الفعلية في الموقع المكاني الصحيح على متن الطائرة ، ومع ذلك ، هناك إزاحة طفيفة بين مواقع التنسيق المتوقعة على طول المحور البصري للنقاط المحورية الموضحة في 2M و 2N . يفسر العلماء هذه الاختلافات في النمذجة والتجارب مع أخطاء الإنتاج.

بعد ذلك ، تم إجراء مقارنة لموقع النقاط المحورية في الطائرة أثناء المحاكاة وأثناء التجارب. تقع النقاط المحاكاة (الحمراء) الموضحة في 3A على دائرة سوداء متقطعة يبلغ قطرها 12 ميكرون.


الصورة رقم 3: أ - موقع النقاط المحورية ، ب - الفرق في موضع النقاط المحاكاة والتجريبية.

تلتزم نقاط (الأزرق) التجريبية إلى حد كبير بنفس الشكل والسلوك المطابق لعامل Q معين. ومع ذلك ، هناك بعض الأخطاء - لا تتوقف النقطتان الأولى والأخيرة تمامًا على بعضهما البعض (1 و 8 في الصورة 3A ). يمكن أن ترتبط مثل هذه التناقضات بالأخطاء أثناء الإنتاج وبالأخطاء أثناء التوصيف البصري.

هذه التقنية لا تخلو من المشاكل. يجب اعتبار العيب الرئيسي في الوقت الحالي محدودًا بشكل خاص عن طريق الانتثار الكروي ومؤشر الانكسار المنخفض. يمكن دمج تشتت مي مع نظرية المصفوفات T ، التي تسمح باستخدام جزيئات ذات شكل تعسفي (الأسطوانات ، الإهليلجويدات ، إلخ). على وجه الخصوص ، فإن الجمع بين الطريقة المدروسة مع الانتثار الأسطواني سيمكن من تطبيق هذه الطريقة على العمليات الكلاسيكية لإنتاج أشباه الموصلات الثنائية. بالإضافة إلى ذلك ، سيؤدي تطبيق نظرية المصفوفات T إلى تحسين مؤشرات الانكسار ، والتي تعد مكونًا مهمًا في درجة أداء العنصر البصري.

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء ومواد إضافية إليه.

خاتمة

في هذه الدراسة ، تمكن العلماء من أن يبرهنوا في الممارسة العملية على طريقة تصميم باستخدام الانتثار الخلفي Mie ، والذي يسمح لك بتعيين الحقول البصرية في ثلاثة أبعاد وهو مناسب تمامًا للصفائف الكبيرة من المشتتات العازلة المنفصلة. تتيح هذه الطريقة الاستخدام الأكثر كفاءة لخصائص الموزعين الفرديين لصالح النظام الموحد لهم.

خلال التجارب ، اختبر العلماء هذه الطريقة عن طريق تطوير عنصر بصري يقوم بإنشاء مخطط تركيز بصري لولبي منفصل. يمكن استخدام مثل هذا العنصر الذي يخلق PSF يشبه العدسة في أنظمة التصور المرتبط باستخراج العناصر الموجودة في مستويات عمق معينة دون إجراء عملية فك الارتباط.

هذا العمل هو الخطوة الأولى نحو تنفيذ فكرة البصريات "المرنة" ، عندما يكون من الممكن إنشاء عناصر بصرية تكون خصائصها مناسبة بشكل مثالي لمهام محددة.

شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب! :)

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا 2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟