प्रकाश नियंत्रण: एक नए प्रकार के ऑप्टिकल तत्व, जो मेटामेट्रिक्स पर आधारित होते हैं

हर दिन हमें ऐसी प्रक्रियाओं और परिघटनाओं का सामना करना पड़ता है जिन्हें हम नोटिस भी नहीं करते, या यूँ कहें कि देखते भी नहीं हैं। उनमें से कुछ हम समझते हैं, और कुछ हमें केवल समझने होते हैं। लेकिन वैज्ञानिक समुदाय का काम कभी भी कुछ भी समझने तक सीमित नहीं था, क्योंकि एक व्यक्ति हमेशा से न केवल समझना चाहता था, बल्कि अपने ज्ञान को व्यवहार में लाना चाहता था, और इसका सबसे अधिक मतलब केवल एक चीज है - नियंत्रण। आज हम आपके साथ एक अध्ययन में मिलेंगे जिसमें वाशिंगटन विश्वविद्यालय के वैज्ञानिक एक नया मेटामेट्री बनाने में सक्षम थे जो नैनोमीटर पैमाने पर प्रकाश को हेरफेर कर सकता है। उनकी संरचना की विशेषताएं क्या हैं, गुस्ताव एमआई के काम ने इसमें क्या भूमिका निभाई और इस नवाचार का व्यावहारिक कार्यान्वयन क्या है? हम इस बारे में अनुसंधान समूह की रिपोर्ट से सीखते हैं। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

इस अध्ययन के पूर्वजों असतत ढांकता हुआ तितर बितर के सरणियों पर आधारित ऑप्टिकल तत्व हैं जो ऑप्टिकल आयामों के स्थानीय आयाम और चरण को नियंत्रित कर सकते हैं। इस तरह के विकास ने पारंपरिक ऑप्टिकल तत्वों जैसे कि लेंस और रिट्रोरफ्लेक्टर्स को छोटा करना संभव बना दिया है। इसके अलावा, ढांकता हुआ तितर बितर के सरणियों ध्रुवीकरण या लहर मल्टीप्लेक्सिंग और बिंदु बिखरने के कार्यों के आधार पर नए बहुक्रियाशील ऑप्टिकल तत्वों का आधार बन गया।

फिलहाल, इस क्षेत्र में अनुसंधान के विशाल बहुमत को प्रत्यक्ष डिजाइन के सहज ज्ञान युक्त उन्मुख तरीकों के लिए एक आंख के साथ किया गया था। इस तरह की विधियाँ पूर्वगामी असतत विसारक पुस्तकालयों का उपयोग करके वांछित चरण प्रोफ़ाइल का एहसास कराती हैं। ऐसे स्कैटर के गुणों की गणना समय-समय पर सीमा की स्थितियों को ध्यान में रखते हुए की जाती है, जब यह माना जाता है कि एक स्कैटर उसी तरह व्यवहार करता है जैसे स्कैटर की एक सरणी। यह सन्निकटन, जिसे आमतौर पर स्थानीय चरण सन्निकटन के रूप में जाना जाता है, ऑप्टिकल तत्व में आसन्न स्कैटर के बीच बातचीत में अंतरों की उपेक्षा करता है, जो एक चरण ढाल के साथ चरण प्रोफ़ाइल के लिए अस्वीकार्य है। इसके अलावा, एक ज्ञात चरण प्रोफ़ाइल की अनुपस्थिति में, इस दृष्टिकोण का उपयोग ऑप्टिकल तत्व बनाने के लिए नहीं किया जा सकता है।

विसारक के समायोज्य मापदंडों के कार्य के रूप में गुणवत्ता कारक का निर्धारण करके रिवर्स इंजीनियरिंग विधियां शुरू होती हैं, जो ऑप्टिकल तत्व की विशेषताओं को सटीक रूप से संलग्न करने का प्रयास करती हैं। यही है, एल्गोरिथ्म ढांकता हुआ तितर बितर के दिए गए कॉन्फ़िगरेशन के लिए गुणवत्ता कारक और उसके ढाल की गणना करता है, और परीक्षण और त्रुटि से कॉन्फ़िगरेशन का चयन नहीं करता है। एल्गोरिथ्म तब कॉन्फ़िगरेशन का दृष्टिकोण करता है, गुणवत्ता कारक को अनुकूलित करने के लिए अद्यतन दिशा के रूप में ढाल का उपयोग करता है।

इस मामले में रिवर्स इंजीनियरिंग विधि हमें उन डिफ्यूज़र के उन विन्यासों का अध्ययन करने की अनुमति देती है जिन्हें सहज ज्ञान युक्त प्रत्यक्ष डिजाइन विधियों द्वारा अनदेखा किया जाएगा।

रिवर्स इंजीनियरिंग पद्धति का उपयोग पहले प्लासमोन नैनोस्ट्रक्चर और डाइइलेक्ट्रिक प्लानर एकीकृत फोटोनिक तत्वों के निर्माण में सफलतापूर्वक किया गया है, साथ ही स्कैटर पर आधारित दो-आयामी ऑप्टिकल तत्वों के विकास में भी किया गया है। परिणामी उपकरणों ने एक बड़े कोण और बहुपरत लेंस में बीम विक्षेपण की बढ़ी हुई दक्षता दिखाई।

हालांकि, छोटे तत्वों से युक्त बड़े सिस्टम के लिए बड़ी मात्रा में मेमोरी और खराब स्केलेबिलिटी की आवश्यकता के कारण, रिवर्स इंजीनियरिंग विधियों को केवल दो-आयामी तत्वों या बहुत छोटे तीन-आयामी प्राथमिक कोशिकाओं पर लागू किया जा सकता है।

स्वाभाविक रूप से, इसने वाशिंगटन विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों को नहीं रोका, इसलिए उन्होंने अपने शोध में रिवर्स इंजीनियरिंग पद्धति को लागू करने की कोशिश करने का फैसला किया, लेकिन कुछ बदलाव और परिवर्धन किए। परिणामस्वरूप, वे गोलाकार Mie स्कैटर के सरणियों के लिए ढाल-आधारित रिवर्स इंजीनियरिंग पद्धति का उपयोग करके तीन आयामों में PSF (पॉइंट स्कैटरिंग फ़ंक्शंस) बनाने में कामयाब रहे।

अनुसंधान परिणामों के रसातल में गोता लगाने से पहले, शब्दावली की थोड़ी समझ।

सबसे पहले, मेटामेट्रिक्स। यह शब्द उन जटिल प्रणालियों को संदर्भित करता है जिनके गुणों की विशेषता उन सामग्रियों के गुणों से नहीं होती है जिनकी वे रचना करते हैं, बल्कि सिस्टम की संरचना से भी।

हम सभी को याद है कि 30 अंडे की एक ट्रे काफी वजन का सामना कर सकती है, लेकिन इसका मतलब शेल की ताकत नहीं है। शेल स्वयं इतना मजबूत नहीं है, लेकिन "एग ट्रे" हमारी मेटामेट्री है - एक ऐसी प्रणाली जिसकी ताकत शेल की ताकत पर निर्भर नहीं करती है, लेकिन अंडे की संख्या और उनकी स्थिति पर।


मेटामेट्रिक्स की एक जटिल संरचना का एक उदाहरण।

एक समान उदाहरण एक कार्डबोर्ड बॉक्स होगा, जिसमें कई विभाजन होते हैं (जैसे ग्रिल)। तथ्य यह है कि इस तरह के बॉक्स भारी वजन का सामना कर सकते हैं इसका मतलब कार्डबोर्ड की ताकत नहीं है, लेकिन केवल बॉक्स की विशिष्ट संरचना का एक परिणाम है, अर्थात। विभाजन की उपस्थिति का एक परिणाम है।

दूसरी बात, Mi का बिखरना। गुस्ताव एमवी (1868-1957) एक जर्मन भौतिक विज्ञानी है जिन्होंने सक्रियता और सफलतापूर्वक अध्ययन किया और विद्युत-विज्ञान और सापेक्षता के सिद्धांत को समझाया। यह मैक्सवेल समीकरण के अपने समाधान के लिए जाना जाता है - एक गोलाकार कण द्वारा प्रकाश का प्रकीर्णन।


गुस्ताव एम आई

उनके निर्णय का सार कण आकार और तरंगदैर्ध्य के संबंध में है जो इस कण पर पड़ता है। घटनाओं के विकास के लिए तीन विकल्प हैं: कण तरंग दैर्ध्य की तुलना में बहुत छोटा है, वे लगभग एक ही हैं और कण तरंगदैर्ध्य की तुलना में बहुत बड़ा है।

पहले मामले में, हमें रेले स्कैटरिंग मिलता है, अर्थात, कणों की तरंग दैर्ध्य को बदले बिना बिखरने वाला। इस स्थिति में, कण एक बाहरी विद्युत चुम्बकीय तरंग द्वारा ध्रुवीकृत होता है, जो एक वैकल्पिक द्विध्रुव के उत्तेजना की ओर जाता है, जो बाह्य तरंग की आवृत्ति के साथ समय में दोलन करता है। इस प्रकार, हम प्रकाश की एक प्रत्यक्षता आरेख प्राप्त करते हैं जो द्विध्रुवीय क्षण की विशेषता है।

दूसरे मामले में, प्रत्यक्षता पैटर्न जटिल है, क्योंकि कण की सतह पर विभिन्न बिंदुओं से परिलक्षित होने वाली हस्तक्षेप तरंगें हैं (कई तरंगों के आयाम में कमी / वृद्धि जब वे एक-दूसरे पर आरोपित होती हैं)।

तीसरे मामले में, जब कण आकार में प्रबल होता है, तो इसकी सतह एक विमान की तरह व्यवहार करेगी, जिसके कारण अपवर्तन और प्रकाश का परावर्तन होगा।

अनुसंधान के परिणाम

अपने काम में, वैज्ञानिकों ने 1.55 और 3 माइक्रोन के तरंग दैर्ध्य के लिए ऑप्टिकल तत्वों को तैयार किया और परीक्षण किया। अध्ययन प्रणाली के आयाम 114 x 114 माइक्रोन और 200 x 200 माइक्रोन थे। इस आकार के सिस्टम, शोधकर्ताओं के अनुसार, उन लोगों के लिए एक रिकॉर्ड है जो रिवर्स इंजीनियरिंग का उपयोग करके विकसित किए गए थे।

दोनों तरंग दैर्ध्य के साथ सभी परीक्षण किए गए उपकरणों की तीव्रता प्रोफ़ाइल ऑप्टिकल अक्ष के साथ आठ फोकल बिंदुओं द्वारा परिभाषित असतत सर्पिल के रूप में सेट की गई थी। इनमें से प्रत्येक बिंदु एक अलग फोकल विमान में स्थित है, जिसे ऑप्टिकल अक्ष के साथ 1.55 μm के तरंग दैर्ध्य के लिए 28 μm और 3 μm के तरंग दैर्ध्य को 57 μm से विभाजित किया गया है। फोकल पॉइंट 3 ५ की तरंग दैर्ध्य के लिए 12 माइक्रोन के त्रिज्या के साथ सर्कल पर स्थित हैं और 3 सुक्ष्ममापी के तरंग दैर्ध्य के लिए 20 माइक्रोन हैं।


छवि नंबर 1: एक गोले के स्थान का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व है, बी सोने के साथ लेपित डिवाइस के 1.55 सुक्ष्ममापी की एक SEM छवि है, सी और डी डिवाइस पर उत्पादन त्रुटियां हैं।

* SEM - स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप।

उपकरणों के निर्माण के लिए एक दो-फोटॉन लिथोग्राफिक प्रणाली का उपयोग किया गया था। विनिर्माण प्रक्रिया के दौरान, हमने एक आईपी-डिप रोकनेवाला (गणना ~ तरंग दैर्ध्य पर n ~ 1.47) के साथ युग्मित 63x लेंस का उपयोग किया, जो विनिर्माण के दौरान अधिकतम संभव समाधान देता है (~ 200 एनएम)।

विनिर्माण चरण में मुख्य कार्य एक वैक्यूम में एक वर्ग ग्रिड पर समान क्षेत्रों का एक सेट बनाना है। सब्सट्रेट का उपयोग नहीं किया गया था, क्योंकि डिवाइस के प्रदर्शन पर इसका प्रभाव बेहद नगण्य था।

1.55 माइक्रोन के तरंग दैर्ध्य वाले एक उपकरण के लिए गोलाकार आवृत्ति 2.42 माइक्रोन (सुपरवेव) के लिए सेट की गई थी, और 3 माइक्रोन, 2.9 माइक्रोन (सबवे) के तरंग दैर्ध्य वाले डिवाइस के लिए।

जैसा कि हम चित्र 1C और 1D में देख सकते हैं, सभी गोले गोले नहीं हैं, अर्थात्। उनमें से कुछ आकार में अनियमित हैं। मॉडलिंग और अनुकूलन में ऐसी उत्पादन त्रुटियों को ध्यान में नहीं रखा गया था।


इमेज नंबर 2: सिमुलेशन के दौरान और वास्तविक परीक्षणों के दौरान 1.55 माइक्रोन डिवाइस का संचालन।

परीक्षण के दौरान, प्रत्येक उपकरण (1.55 और 3 माइक्रोन) के लिए दो अलग-अलग माइक्रोस्कोप का उपयोग किया गया था। प्रयोगों के दौरान, यह पाया गया कि ऑप्टिकल तत्व उच्च तीव्रता का एक स्पष्ट स्थान (बिंदु) बनाता है, जो मॉडलिंग की भविष्यवाणियों से मेल खाता है। हालांकि, प्रयोग अनुकरण की तुलना में फोकल बिंदु और पृष्ठभूमि के बीच एक कम विपरीत दिखाता है। इसके अलावा, तस्वीरों में 2 ई , 2 एफ और 2 एन , महत्वपूर्ण तीव्रता के छोटे गर्म स्थान, जो सिमुलेशन में मौजूद नहीं थे, स्पष्ट रूप से दिखाई दे रहे हैं।

वास्तविक फोकल बिंदु विमान पर सही स्थानिक स्थान पर बनाए जाते हैं, हालांकि, 2M और 2N पर दिखाए गए फोकल बिंदुओं के लिए ऑप्टिकल अक्ष के साथ अपेक्षित फोकल बिंदु स्थितियों के बीच थोड़ी ऑफसेट होती है। वैज्ञानिक मॉडलिंग और उत्पादन त्रुटियों के साथ प्रयोगों में इन विसंगतियों की व्याख्या करते हैं।

इसके बाद, सिमुलेशन और प्रयोगों के दौरान विमान में फोकल बिंदुओं के स्थान की तुलना की गई थी। 3 ए में दिखाए गए नकली (लाल) डॉट्स 12 माइक्रोन के त्रिज्या के साथ धराशायी काले घेरे पर झूठ बोलते हैं।


छवि संख्या 3: ए - फोकल बिंदुओं का स्थान, बी - नकली और प्रयोगात्मक बिंदुओं की स्थिति में अंतर।

प्रयोगात्मक (नीला) अंक एक दिए गए क्यू कारक के अनुरूप एक ही आकार और व्यवहार के लिए काफी हद तक पालन करते हैं। फिर भी, कुछ त्रुटियां हैं - पहला और अंतिम अंक एक दूसरे पर पूरी तरह से झूठ नहीं है (छवि 3 ए में 1 और 8)। इस तरह की विसंगतियां उत्पादन के दौरान त्रुटियों और ऑप्टिकल लक्षण वर्णन के दौरान त्रुटियों के साथ जुड़ी हो सकती हैं।

यह तकनीक समस्याओं के बिना नहीं है। इस समय मुख्य नुकसान को विशेष रूप से गोलाकार स्कैटर और एक कम अपवर्तक सूचकांक द्वारा सीमित माना जाना चाहिए। मि स्कैटरिंग को टी-मैट्रिस के सिद्धांत के साथ जोड़ा जा सकता है, जो मनमाने आकार के कणों (सिलेंडर, इलिप्सोइड्स, आदि) के उपयोग की अनुमति देता है। विशेष रूप से, बेलनाकार स्कैटर के साथ अध्ययन विधि का संयोजन बाइनरी सेमीकंडक्टर्स के उत्पादन के लिए शास्त्रीय प्रक्रियाओं के लिए इस पद्धति को लागू करना संभव बनाता है। इसके अलावा, टी-मैट्रिस के सिद्धांत के आवेदन में अपवर्तक सूचकांकों में सुधार होगा, जो एक ऑप्टिकल तत्व के प्रदर्शन की डिग्री का एक महत्वपूर्ण घटक है।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं सुझाव देता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट और इसके लिए अतिरिक्त सामग्रियों पर ध्यान दें।

उपसंहार

इस अध्ययन में, वैज्ञानिक Mie backscattering का उपयोग करके एक डिजाइन विधि का सफलतापूर्वक अभ्यास करने में सक्षम थे, जो आपको तीन आयामों में ऑप्टिकल फ़ील्ड सेट करने की अनुमति देता है और असतत ढांकता हुआ स्कैटर के बड़े सरणियों के लिए अनुकूल है। यह विधि उनके लिए सामान्य प्रणाली के लाभ के लिए व्यक्तिगत डिफ्यूज़र के गुणों का सबसे कुशल उपयोग करने की अनुमति देती है।

प्रयोगों के दौरान, वैज्ञानिकों ने एक ऑप्टिकल तत्व विकसित करके इस पद्धति का परीक्षण किया जो असतत सर्पिल ऑप्टिकल फोकसिंग आरेख बनाता है। ऐसा तत्व जो एक लेंस जैसा पीएसएफ बनाता है, जिसका उपयोग डिकॉन्सेक्शन ऑपरेशन किए बिना कुछ गहराई वाले विमानों पर तत्वों के निष्कर्षण से जुड़े विज़ुअलाइज़ेशन सिस्टम में किया जा सकता है।

यह काम "लचीला" प्रकाशिकी के विचार को लागू करने की दिशा में पहला कदम है, जब ऑप्टिकल तत्वों का निर्माण संभव है, जिनके गुण विशिष्ट कार्यों के लिए आदर्श रूप से अनुकूल होंगे।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और एक अच्छा काम करने का सप्ताह है, दोस्तों! :)

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