Contrôle de la lumière: un nouveau type d'éléments optiques à base de métamatériaux

Chaque jour, nous sommes confrontés à des processus et des phénomènes que nous ne remarquons même pas, ou plutôt ne voyons même pas. Nous comprenons certains d'entre eux, et nous devons seulement comprendre certains. Mais les travaux de la communauté scientifique ne se sont jamais limités à comprendre quoi que ce soit, car une personne a toujours voulu non seulement comprendre, mais mettre ses connaissances en pratique, et cela ne signifie le plus souvent qu'une seule chose: le contrôle. Aujourd'hui, nous vous rencontrerons une étude dans laquelle des scientifiques de l'Université de Washington ont pu créer un nouveau métamatériau capable de manipuler la lumière à l'échelle nanométrique. Quelles sont les caractéristiques de leur structure, quel rôle le travail de Gustav Mi y a-t-il joué et quelle est la mise en œuvre pratique de cette innovation? Nous en apprenons à travers le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Base d'étude

Les ancêtres de cette étude sont des éléments optiques basés sur des réseaux de diffuseurs diélectriques discrets qui peuvent contrôler l'amplitude et la phase locales des champs optiques. Ces développements ont permis de miniaturiser les éléments optiques traditionnels tels que les lentilles et les rétroréflecteurs. De plus, les réseaux de diffuseurs diélectriques sont devenus la base de nouveaux éléments optiques multifonctionnels basés sur les fonctions de polarisation ou de multiplexage des ondes et de diffusion ponctuelle.

À l'heure actuelle, la grande majorité des recherches dans ce domaine ont été menées dans l'optique de méthodes de conception directe intuitivement orientées. Ces méthodes permettent d'obtenir le profil de phase souhaité en utilisant des bibliothèques de diffuseurs discrets précompilés. Les propriétés de ces diffuseurs sont calculées en tenant compte des conditions aux limites périodiques lorsque l'on suppose qu'un diffuseur se comporte de la même manière qu'un réseau de diffuseurs. Cette approximation, généralement connue sous le nom d'approximation de phase locale, néglige les différences dans les interactions entre les diffuseurs adjacents dans l'élément optique, ce qui est inacceptable pour un profil de phase avec un gradient raide. De plus, en l'absence d'un profil de phase connu, cette approche ne peut pas être utilisée pour créer un élément optique.

Les méthodes d'ingénierie inverse commencent par déterminer le facteur de qualité en fonction des paramètres ajustables du diffuseur, qui tentent d'encapsuler avec précision les caractéristiques de l'élément optique. Autrement dit, l'algorithme calcule le facteur de qualité et son gradient pour une configuration donnée de diffuseurs diélectriques, et ne sélectionne pas la configuration elle-même par essais et erreurs. L'algorithme s'approche ensuite de la configuration, en utilisant le gradient comme direction mise à jour pour optimiser le facteur de qualité.

La méthode d'ingénierie inverse dans ce cas nous permet d'étudier les configurations de diffuseurs qui seraient ignorées par les méthodes intuitives de conception directe.

La méthode d'ingénierie inverse a déjà été utilisée avec succès dans la création de nanostructures de plasmon et d'éléments photoniques intégrés planaires diélectriques, ainsi que dans le développement récent d'éléments optiques bidimensionnels basés sur des diffuseurs. Les dispositifs résultants ont montré une efficacité accrue de la déflexion du faisceau à un grand angle et des lentilles multicouches.

Cependant, en raison du besoin d'une grande quantité de mémoire et d'une mauvaise évolutivité pour les grands systèmes constitués de petits éléments, les méthodes d'ingénierie inverse ne peuvent être appliquées qu'aux éléments bidimensionnels ou aux très petites cellules élémentaires tridimensionnelles.

Naturellement, cela n'a pas empêché les scientifiques de l'Université de Washington, alors ils ont décidé d'essayer d'appliquer la méthode d'ingénierie inverse dans leurs recherches, mais ont apporté quelques modifications et ajouts. En conséquence, ils ont réussi à créer des PSF (fonctions de diffusion ponctuelle) en trois dimensions en utilisant la méthode d'ingénierie inverse basée sur le gradient pour les tableaux de diffuseurs sphériques de Mie.

Avant de plonger dans l'abîme des résultats de la recherche, un peu de compréhension de la terminologie.

Premièrement, les métamatériaux. Ce terme fait référence à des systèmes complexes dont les propriétés se caractérisent non pas par les propriétés du matériau dont elles sont composées, mais par la structure du système lui-même.

Nous nous souvenons tous qu'un plateau de 30 œufs peut supporter un poids considérable, mais cela ne signifie pas la solidité de la coquille. La coquille elle-même n'est pas si solide, mais le "plateau à œufs" est notre métamatériau - un système dont la force ne dépend pas de la force de la coquille, mais du nombre d'oeufs et de leur position.


Un exemple d'une structure complexe de métamatériaux.

Un exemple similaire serait une boîte en carton avec de nombreuses partitions à l'intérieur (comme un gril). Le fait qu'une telle boîte puisse supporter un poids élevé ne signifie pas la résistance du carton, mais n'est qu'une conséquence de la structure spécifique de la boîte, c'est-à-dire une conséquence de la présence de partitions.

Deuxièmement, la dispersion de Mi. Gustav Mi (1868-1957) est un physicien allemand qui a activement et avec succès étudié et expliqué l'électrodynamique et la théorie de la relativité. Il est surtout connu pour sa solution de l'équation de Maxwell - la diffusion de la lumière par une particule sphérique.


Gustav Mi

L'essence de sa décision est en relation avec la taille des particules et la longueur d'onde qui tombe sur cette particule. Il existe trois options pour le développement d'événements: la particule est beaucoup plus petite que la longueur d'onde, elles sont à peu près les mêmes et la particule est beaucoup plus grande que la longueur d'onde.

Dans le premier cas, nous obtenons la diffusion de Rayleigh, c'est-à-dire la diffusion sans changer la longueur d'onde des particules. Dans cette situation, la particule est polarisée par une onde électromagnétique externe, ce qui conduit à l'excitation d'un dipôle alternatif, qui oscille dans le temps avec la fréquence de l'onde externe. On obtient ainsi un diagramme de directivité de la lumière caractéristique précisément du moment dipolaire.

Dans le second cas, le modèle de directivité est compliqué, car il y a des ondes d'interférence (augmentation / diminution mutuelle de l'amplitude de plusieurs ondes lorsqu'elles sont superposées les unes aux autres) réfléchies par différents points de la surface des particules.

Dans le troisième cas, lorsque la taille de la particule prédomine, sa surface se comportera comme un plan, en raison de quoi la réfraction et la réflexion de la lumière se produiront.

Résultats de recherche

Dans leur travail, les scientifiques ont préparé et testé en pratique des éléments optiques pour des longueurs d'onde de 1,55 et 3 microns. Les dimensions des systèmes étudiés étaient de 114 x 114 microns et 200 x 200 microns. Les systèmes de cette taille, selon les chercheurs eux-mêmes, sont un record pour ceux qui ont été développés en utilisant la rétro-ingénierie.

Le profil d'intensité pour tous les appareils testés avec les deux longueurs d'onde a été défini comme une spirale discrète définie par huit points focaux le long de l'axe optique. Chacun de ces points est situé dans un plan focal séparé, divisé le long de l'axe optique par 28 μm pour une longueur d'onde de 1,55 μm et 57 μm pour une longueur d'onde de 3 μm. Les points focaux sont situés sur des cercles d'un rayon de 12 μm pour une longueur d'onde de 1,55 et 20 μm pour une longueur d'onde de 3 μm.


Image n ° 1: A est une représentation schématique de l'emplacement des sphères, B est une image SEM de 1,55 μm d'un appareil recouvert d'or, C et D sont des erreurs de production sur l'appareil.

* SEM - microscope électronique à balayage.

Un système lithographique à deux photons a été utilisé pour fabriquer les appareils. Au cours du processus de fabrication, nous avons utilisé un objectif 63x associé à une résistance IP-Dip (n ~ 1,47 aux longueurs d'onde calculées), ce qui donne la résolution maximale possible pendant la fabrication (~ 200 nm).

La tâche principale au stade de la fabrication est de créer un ensemble de sphères identiques sur une grille carrée sous vide. Le substrat n'a pas été utilisé, car son effet sur les performances de l'appareil était extrêmement négligeable.

La fréquence sphérique pour un appareil avec une longueur d'onde de 1,55 µm a été fixée à 2,42 µm (super-onde), et pour un appareil avec une longueur d'onde de 3 µm, 2,9 µm (subwave).

Comme nous pouvons le voir sur les images 1C et 1D , toutes les sphères ne sont pas des sphères, c'est-à-dire certains sont de forme irrégulière. Ces erreurs de production n'ont pas été prises en compte dans la modélisation et l'optimisation.


Image n ° 2: fonctionnement d'un appareil de 1,55 micron pendant la simulation et lors des tests réels.

Pendant les tests, deux microscopes distincts ont été utilisés pour chaque appareil (1,55 et 3 μm). Au cours des expériences, il a été constaté que l'élément optique crée un point clair (point) de haute intensité, ce qui correspond aux prédictions de modélisation. Cependant, l'expérience montre un contraste plus faible entre le point focal et l'arrière-plan par rapport à la simulation. De plus, sur les photographies 2E , 2F et 2N , des points chauds plus petits d'intensité significative, qui n'étaient pas présents dans la simulation, sont clairement visibles.

Les points focaux réels sont créés à l'emplacement spatial correct sur le plan, cependant, il y a un léger décalage entre les positions attendues des points focaux le long de l'axe optique pour les points focaux indiqués sur 2M et 2N . Les scientifiques expliquent ces écarts dans la modélisation et les expériences avec des erreurs de production.

Ensuite, une comparaison a été faite de l'emplacement des points focaux dans l'avion pendant la simulation et pendant les expériences. Les points simulés (rouges) représentés en 3A se trouvent sur un cercle noir en pointillés avec un rayon de 12 μm.


Image n ° 3: A - l'emplacement des points focaux, B - la différence de position des points simulés et expérimentaux.

Les points expérimentaux (bleus) adhèrent dans une large mesure à la même forme et au même comportement correspondant à un facteur Q donné. Néanmoins, il y a quelques erreurs - le premier et le dernier point ne se trouvent pas parfaitement l'un sur l'autre (1 et 8 sur l'image 3A ). Ces écarts peuvent être associés à la fois à des erreurs lors de la production et à des erreurs lors de la caractérisation optique.

Cette technique n'est pas sans problèmes. Le principal inconvénient actuel doit être considéré comme limité exclusivement par des diffuseurs sphériques et un indice de réfraction faible. La diffusion de Mie peut être combinée avec la théorie des matrices T, qui permet l'utilisation de particules de forme arbitraire (cylindres, ellipsoïdes, etc.). En particulier, la combinaison de la méthode étudiée avec des diffuseurs cylindriques permettrait d'appliquer cette méthode aux procédés classiques de production de semi-conducteurs binaires. De plus, l'application de la théorie des matrices T améliorera les indices de réfraction, qui sont une composante importante du degré de performance d'un élément optique.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue

Dans cette étude, les scientifiques ont réussi à démontrer dans la pratique une méthode de conception utilisant la rétrodiffusion de Mie, qui vous permet de définir des champs optiques en trois dimensions et convient bien aux grands réseaux de diffuseurs diélectriques discrets. Cette méthode permet l'utilisation la plus efficace des propriétés des diffuseurs individuels au profit du système commun pour eux.

Au cours des expériences, les scientifiques ont testé cette méthode en développant un élément optique qui crée un diagramme de focalisation optique en spirale discrète. Un tel élément qui crée un PSF de type lentille peut être utilisé dans des systèmes de visualisation associés à l'extraction d'éléments sur certains plans de profondeur sans effectuer d'opération de déconvolution.

Ce travail est la première étape vers la mise en œuvre de l'idée d'optique «flexible», lorsqu'il est possible de créer des éléments optiques dont les propriétés seront parfaitement adaptées à des tâches spécifiques.

Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars! :)

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