Lichtsteuerung: Eine neue Art von optischen Elementen, die auf Metamaterialien basieren

Jeden Tag sind wir mit Prozessen und Phänomenen konfrontiert, die wir nicht einmal bemerken oder vielmehr nicht einmal sehen. Einige davon verstehen wir, andere müssen wir nur verstehen. Die Arbeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft beschränkte sich jedoch nie darauf, etwas zu verstehen, denn ein Mensch wollte immer nicht nur verstehen, sondern sein Wissen in die Praxis umsetzen, und dies bedeutet meistens nur eines - Kontrolle. Heute werden wir mit Ihnen eine Studie treffen, in der Wissenschaftler der University of Washington ein neues Metamaterial erstellen konnten, das Licht im Nanometerbereich manipulieren kann. Was sind die Merkmale ihrer Struktur, welche Rolle spielte Gustav Mis Arbeit dabei und wie ist die praktische Umsetzung dieser Innovation? Dies erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.

Studienbasis

Die Vorfahren dieser Studie sind optische Elemente, die auf Anordnungen diskreter dielektrischer Streuer basieren, die die lokale Amplitude und Phase optischer Felder steuern können. Solche Entwicklungen haben es möglich gemacht, herkömmliche optische Elemente wie Linsen und Retroreflektoren zu miniaturisieren. Darüber hinaus wurden Arrays von dielektrischen Streuern zur Grundlage für neue multifunktionale optische Elemente, die auf Polarisations- oder Wellenmultiplex- und Punktstreufunktionen basieren.

Derzeit wurde der überwiegende Teil der Forschung in diesem Bereich mit Blick auf intuitiv ausgerichtete Methoden des direkten Designs durchgeführt. Solche Verfahren realisieren das gewünschte Phasenprofil unter Verwendung vorkompilierter diskreter Diffusorbibliotheken. Die Eigenschaften solcher Streuer werden unter Berücksichtigung periodischer Randbedingungen berechnet, wenn angenommen wird, dass sich ein Streuer wie ein Array von Streuern verhält. Diese Näherung, üblicherweise als lokale Phasennäherung bekannt, vernachlässigt die Unterschiede in den Wechselwirkungen zwischen benachbarten Streuern im optischen Element, was für ein Phasenprofil mit einem steilen Gradienten nicht akzeptabel ist. Wenn kein bekanntes Phasenprofil vorliegt, kann dieser Ansatz nicht zur Erzeugung eines optischen Elements verwendet werden.

Reverse Engineering-Methoden beginnen mit der Bestimmung des Qualitätsfaktors als Funktion der einstellbaren Parameter des Diffusors, die versuchen, die Eigenschaften des optischen Elements genau zu erfassen. Das heißt, der Algorithmus berechnet den Qualitätsfaktor und seinen Gradienten für eine gegebene Konfiguration von dielektrischen Streuern und wählt die Konfiguration selbst nicht durch Versuch und Irrtum aus. Der Algorithmus nähert sich dann der Konfiguration und verwendet den Gradienten als aktualisierte Richtung, um den Qualitätsfaktor zu optimieren.

Die Reverse Engineering-Methode in diesem Fall ermöglicht es uns, die Konfigurationen von Diffusoren zu untersuchen, die von intuitiven direkten Entwurfsmethoden ignoriert würden.

Das Reverse Engineering-Verfahren wurde bereits erfolgreich bei der Herstellung von Plasmon-Nanostrukturen und dielektrischen planar integrierten photonischen Elementen sowie bei der jüngsten Entwicklung zweidimensionaler optischer Elemente auf der Basis von Streuern eingesetzt. Die resultierenden Vorrichtungen zeigten eine erhöhte Effizienz der Strahlablenkung bei einem großen Winkel und Mehrschichtlinsen.

Aufgrund des Bedarfs an viel Speicher und der schlechten Skalierbarkeit für große Systeme, die aus kleinen Elementen bestehen, können Reverse Engineering-Verfahren jedoch nur auf zweidimensionale Elemente oder sehr kleine dreidimensionale Elementarzellen angewendet werden.

Dies hat natürlich die Wissenschaftler der University of Washington nicht davon abgehalten, die Reverse Engineering-Methode in ihrer Forschung anzuwenden, aber einige Änderungen und Ergänzungen vorgenommen. Infolgedessen gelang es ihnen, PSF (Punktstreufunktionen) in drei Dimensionen mithilfe der gradientenbasierten Reverse Engineering-Methode für Arrays sphärischer Mie-Streuer zu erstellen.

Bevor Sie in den Abgrund der Forschungsergebnisse eintauchen, ein wenig Verständnis der Terminologie.

Erstens Metamaterialien. Dieser Begriff bezieht sich auf komplexe Systeme, deren Eigenschaften nicht durch die Eigenschaften des Materials charakterisiert sind, aus dem sie bestehen, sondern durch die Struktur des Systems selbst.

Wir alle erinnern uns, dass ein Tablett mit 30 Eiern einem beträchtlichen Gewicht standhalten kann, aber dies bedeutet nicht die Stärke der Schale. Die Schale selbst ist nicht so stark, aber die "Eierablage" ist unser Metamaterial - ein System, dessen Stärke nicht von der Stärke der Schale abhängt, sondern von der Anzahl der Eier und ihrer Position.


Ein Beispiel für eine komplexe Struktur von Metamaterialien.

Ein ähnliches Beispiel wäre ein Karton mit vielen Trennwänden (wie ein Grill). Die Tatsache, dass eine solche Schachtel einem hohen Gewicht standhalten kann, bedeutet nicht die Festigkeit des Kartons, sondern ist nur eine Folge der spezifischen Struktur der Schachtel, d.h. eine Folge des Vorhandenseins von Partitionen.

Zweitens ist die Streuung von Mi.Nr. Gustav Mi (1868-1957) ist ein deutscher Physiker, der Elektrodynamik und Relativitätstheorie aktiv und erfolgreich studierte und erklärte. Es ist am bekanntesten für seine Lösung der Maxwell-Gleichung - die Streuung von Licht durch ein kugelförmiges Teilchen.


Gustav Mi.

Das Wesentliche seiner Entscheidung ist in Bezug auf die Partikelgröße und die Wellenlänge, die auf dieses Partikel fällt. Es gibt drei Möglichkeiten für die Entwicklung von Ereignissen: Das Teilchen ist viel kleiner als die Wellenlänge, sie sind ungefähr gleich und das Teilchen ist viel größer als die Wellenlänge.

Im ersten Fall erhalten wir Rayleigh-Streuung, dh Streuung, ohne die Wellenlänge der Partikel zu ändern. In dieser Situation wird das Teilchen durch eine externe elektromagnetische Welle polarisiert, was zur Anregung eines alternierenden Dipols führt, der zeitlich mit der Frequenz der externen Welle schwingt. So erhalten wir ein Richtungsdiagramm des Lichts, das genau für das Dipolmoment charakteristisch ist.

Im zweiten Fall ist das Richtcharakteristikmuster kompliziert, da Interferenzwellen (gegenseitige Zunahme / Abnahme der Amplitude mehrerer Wellen, wenn sie sich überlagern) von verschiedenen Punkten auf der Partikeloberfläche reflektiert werden.

Im dritten Fall, wenn das Teilchen in seiner Größe vorherrscht, verhält sich seine Oberfläche wie eine Ebene, wodurch Brechung und Reflexion von Licht auftreten.

Forschungsergebnisse

In ihrer Arbeit haben Wissenschaftler optische Elemente für Wellenlängen von 1,55 und 3 Mikrometern vorbereitet und in der Praxis getestet. Die Abmessungen der untersuchten Systeme betrugen 114 x 114 Mikrometer und 200 x 200 Mikrometer. Systeme dieser Größe sind nach Ansicht der Forscher selbst ein Rekord für diejenigen, die mit Reverse Engineering entwickelt wurden.

Das Intensitätsprofil für alle getesteten Geräte mit beiden Wellenlängen wurde als diskrete Spirale eingestellt, die durch acht Brennpunkte entlang der optischen Achse definiert ist. Jeder dieser Punkte befindet sich in einer separaten Fokusebene, die entlang der optischen Achse durch 28 μm für eine Wellenlänge von 1,55 μm und 57 μm für eine Wellenlänge von 3 μm geteilt ist. Brennpunkte liegen auf Kreisen mit einem Radius von 12 μm für eine Wellenlänge von 1,55 und 20 μm für eine Wellenlänge von 3 μm.


Bild Nr. 1: A ist eine schematische Darstellung der Position der Kugeln, B ist ein SEM-Bild von 1,55 & mgr; m einer mit Gold beschichteten Vorrichtung, C und D sind Produktionsfehler auf der Vorrichtung.

* REM - Rasterelektronenmikroskop.

Zur Herstellung der Vorrichtungen wurde ein Zwei-Photonen-Lithographiesystem verwendet. Während des Herstellungsprozesses verwendeten wir eine 63x-Linse gepaart mit einem IP-Dip-Widerstand (n ~ 1,47 bei den berechneten Wellenlängen), was die maximal mögliche Auflösung während der Herstellung (~ 200 nm) ergibt.

Die Hauptaufgabe in der Herstellungsphase besteht darin, einen Satz identischer Kugeln auf einem quadratischen Gitter im Vakuum zu erzeugen. Das Substrat wurde nicht verwendet, da seine Auswirkung auf die Leistung der Vorrichtung äußerst vernachlässigbar war.

Die sphärische Frequenz für eine Vorrichtung mit einer Wellenlänge von 1,55 & mgr; m wurde auf 2,42 & mgr; m (Superwelle) und für eine Vorrichtung mit einer Wellenlänge von 3 & mgr; m auf 2,9 & mgr; m (Subwelle) eingestellt.

Wie wir in den Bildern 1C und 1D sehen können , sind nicht alle Kugeln Kugeln, d.h. Einige von ihnen haben eine unregelmäßige Form. Solche Produktionsfehler wurden bei der Modellierung und Optimierung nicht berücksichtigt.


Bild Nr. 2: Betrieb eines 1,55-Mikron-Geräts während der Simulation und während der tatsächlichen Tests.

Während des Tests wurden zwei separate Mikroskope für jede Vorrichtung verwendet (1,55 und 3 & mgr; m). Während der Experimente wurde festgestellt, dass das optische Element einen klaren Punkt (Punkt) mit hoher Intensität erzeugt, der den Modellierungsvorhersagen entspricht. Das Experiment zeigt jedoch im Vergleich zur Simulation einen geringeren Kontrast zwischen Brennpunkt und Hintergrund. Außerdem sind in den Fotografien 2E , 2F und 2N kleinere Hot Spots von signifikanter Intensität, die in der Simulation nicht vorhanden waren, deutlich sichtbar.

Tatsächliche Brennpunkte werden an der richtigen räumlichen Stelle in der Ebene erzeugt, es gibt jedoch einen geringfügigen Versatz zwischen den erwarteten Brennpunktpositionen entlang der optischen Achse für die auf 2M und 2N gezeigten Brennpunkte. Wissenschaftler erklären diese Diskrepanzen bei der Modellierung und bei Experimenten mit Produktionsfehlern.

Als nächstes wurde die Position der Brennpunkte in der Ebene während der Simulation und während der Experimente verglichen. Die in 3A gezeigten simulierten (roten) Punkte liegen auf einem gestrichelten schwarzen Kreis mit einem Radius von 12 μm.


Bild Nr. 3: A - die Position der Brennpunkte, B - der Unterschied in der Position der simulierten und experimentellen Punkte.

Die experimentellen (blauen) Punkte haften weitgehend an derselben Form und demselben Verhalten, die einem gegebenen Q-Faktor entsprechen. Trotzdem gibt es einige Fehler - der erste und der letzte Punkt liegen nicht perfekt aufeinander (1 und 8 in Bild 3A ). Solche Abweichungen können sowohl mit Fehlern während der Produktion als auch mit Fehlern während der optischen Charakterisierung verbunden sein.

Diese Technik ist nicht ohne Probleme. Der Hauptnachteil sollte derzeit ausschließlich durch sphärische Streuer und einen niedrigen Brechungsindex begrenzt sein. Die Mie-Streuung kann mit der Theorie der T-Matrizen kombiniert werden, die die Verwendung von Partikeln beliebiger Form (Zylinder, Ellipsoide usw.) ermöglicht. Insbesondere die Kombination der untersuchten Methode mit zylindrischen Streuern würde es ermöglichen, diese Methode auf klassische Verfahren zur Herstellung von binären Halbleitern anzuwenden. Darüber hinaus wird die Anwendung der Theorie der T-Matrizen die Brechungsindizes verbessern, die ein wichtiger Bestandteil des Leistungsgrades eines optischen Elements sind.

Um sich eingehender mit den Nuancen der Studie vertraut zu machen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.

Nachwort

In dieser Studie konnten Wissenschaftler erfolgreich eine Entwurfsmethode mit Mie-Rückstreuung demonstrieren, mit der Sie optische Felder in drei Dimensionen einstellen können und die sich gut für große Anordnungen diskreter dielektrischer Streuer eignet. Diese Methode ermöglicht die effizienteste Nutzung der Eigenschaften einzelner Diffusoren zum Nutzen des für sie gemeinsamen Systems.

Während der Experimente testeten Wissenschaftler diese Methode, indem sie ein optisches Element entwickelten, das ein diskretes spiralförmiges optisches Fokussierungsdiagramm erzeugt. Ein solches Element, das eine linsenartige PSF erzeugt, kann in Visualisierungssystemen verwendet werden, die mit der Extraktion von Elementen in bestimmten Tiefenebenen verbunden sind, ohne eine Entfaltungsoperation durchzuführen.

Diese Arbeit ist der erste Schritt zur Umsetzung der Idee der „flexiblen“ Optik, wenn es möglich ist, optische Elemente zu erstellen, deren Eigenschaften für bestimmte Aufgaben ideal geeignet sind.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs! :) :)

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