Kontrol cahaya: tipe baru elemen optik berdasarkan metamaterial

Setiap hari kita dihadapkan dengan proses dan fenomena yang bahkan tidak kita sadari, atau lebih tepatnya, bahkan tidak melihat. Beberapa dari mereka kita pahami, dan beberapa kita hanya harus mengerti. Tetapi karya-karya komunitas ilmiah tidak pernah terbatas untuk memahami apa pun, karena seseorang selalu ingin tidak hanya memahami, tetapi juga menerapkan pengetahuannya, dan ini paling sering berarti hanya satu hal - kontrol. Hari ini kita akan bertemu dengan Anda sebuah studi di mana para ilmuwan dari University of Washington mampu menciptakan bahan metam baru yang dapat memanipulasi cahaya pada skala nanometer. Apa ciri-ciri struktur mereka, peran apa yang dimainkan oleh karya Gustav Mi dalam hal ini, dan apa implementasi praktis dari inovasi ini? Kami belajar tentang ini dari laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Dasar studi

Nenek moyang dari penelitian ini adalah elemen optik berdasarkan array dari dielektrik penghambur diskrit yang dapat mengontrol amplitudo lokal dan fase bidang optik. Perkembangan seperti itu memungkinkan untuk miniatur elemen optik tradisional seperti lensa dan reflektor. Selain itu, array hamburan dielektrik menjadi dasar untuk elemen optik multifungsi baru berdasarkan polarisasi atau multiplexing gelombang dan fungsi penghamburan titik.

Saat ini, sebagian besar penelitian di bidang ini dilakukan dengan memperhatikan metode desain langsung yang berorientasi intuitif. Metode seperti itu mewujudkan profil fase yang diinginkan menggunakan perpustakaan diffuser diskrit yang dikompilasi. Sifat-sifat pencar tersebut dihitung dengan mempertimbangkan kondisi batas periodik ketika diasumsikan bahwa satu pencar berperilaku dengan cara yang sama dengan susunan pencar. Aproksimasi ini, biasanya dikenal sebagai aproksimasi fasa lokal, mengabaikan perbedaan interaksi antara sebaran yang berdekatan dalam elemen optik, yang tidak dapat diterima untuk profil fase dengan gradien curam. Selain itu, dengan tidak adanya profil fase yang dikenal, pendekatan ini tidak dapat digunakan untuk membuat elemen optik.

Metode reverse engineering dimulai dengan menentukan faktor kualitas sebagai fungsi dari parameter diffuser yang dapat disesuaikan, yang berupaya merangkum karakteristik elemen optik secara akurat. Artinya, algoritma menghitung faktor kualitas dan gradiennya untuk konfigurasi sebaran dielektrik yang diberikan, dan tidak memilih konfigurasi itu sendiri melalui coba-coba. Algoritma kemudian mendekati konfigurasi, menggunakan gradien sebagai arah yang diperbarui untuk mengoptimalkan faktor kualitas.

Metode reverse engineering dalam hal ini memungkinkan kami untuk mempelajari konfigurasi difuser yang akan diabaikan oleh metode desain langsung intuitif.

Metode reverse engineering sebelumnya berhasil digunakan dalam pembuatan struktur nano plasmon dan elemen fotonik terintegrasi planar dielektrik, serta dalam pengembangan baru-baru ini elemen optik dua dimensi berdasarkan sebar. Perangkat yang dihasilkan menunjukkan peningkatan efisiensi defleksi sinar pada sudut besar dan lensa multilayer.

Namun, karena kebutuhan akan sejumlah besar memori dan skalabilitas yang buruk untuk sistem besar yang terdiri dari elemen-elemen kecil, metode reverse engineering hanya dapat diterapkan pada elemen dua dimensi atau sel elemental tiga dimensi yang sangat kecil.

Secara alami, ini tidak menghentikan para ilmuwan dari University of Washington, jadi mereka memutuskan untuk mencoba menerapkan metode rekayasa terbalik dalam penelitian mereka, tetapi membuat beberapa perubahan dan tambahan. Sebagai hasilnya, mereka berhasil membuat PSF (fungsi penghamburan titik) dalam tiga dimensi menggunakan metode reverse engineering berbasis gradien untuk susunan pencar Mie bulat.

Sebelum terjun ke jurang hasil penelitian, sedikit pengertian terminologi.

Pertama, metamaterial. Istilah ini mengacu pada sistem yang kompleks yang sifat-sifatnya dicirikan bukan oleh sifat-sifat bahan yang menyusunnya, tetapi oleh struktur sistem itu sendiri.

Kita semua ingat bahwa nampan 30 telur dapat menahan berat yang cukup, tetapi ini tidak berarti kekuatan cangkang. Shell itu sendiri tidak begitu kuat, tetapi "baki telur" adalah bahan metam kami - sebuah sistem yang kekuatannya tidak bergantung pada kekuatan shell, tetapi pada jumlah telur dan posisi mereka.


Contoh struktur metamaterial yang kompleks.

Contoh serupa adalah kotak kardus dengan banyak partisi di dalamnya (seperti panggangan). Fakta bahwa kotak seperti itu dapat menahan beban berat tidak berarti kekuatan kardus, tetapi hanya konsekuensi dari struktur spesifik kotak, mis. konsekuensi dari kehadiran partisi.

Kedua, hamburan Mi. Gustav Mi (1868-1957) adalah seorang fisikawan Jerman yang aktif dan berhasil mempelajari dan menjelaskan elektrodinamika dan teori relativitas. Ini terkenal karena solusinya dari persamaan Maxwell - hamburan cahaya oleh partikel bola.


Gustav Mi

Inti dari keputusannya adalah dalam kaitannya dengan ukuran partikel dan panjang gelombang yang jatuh pada partikel ini. Ada tiga opsi untuk pengembangan peristiwa: partikel jauh lebih kecil dari panjang gelombang, mereka hampir sama dan partikel jauh lebih besar dari panjang gelombang.

Dalam kasus pertama, kita mendapatkan hamburan Rayleigh, yaitu hamburan tanpa mengubah panjang gelombang partikel. Dalam situasi ini, partikel terpolarisasi oleh gelombang elektromagnetik eksternal, yang mengarah ke eksitasi dipol bolak-balik, yang berosilasi dalam waktu dengan frekuensi gelombang eksternal. Dengan demikian, kita memperoleh diagram directivity cahaya yang merupakan karakteristik tepat dari momen dipol.

Dalam kasus kedua, pola directivity rumit, karena ada gelombang interferensi (saling meningkatkan / mengurangi amplitudo beberapa gelombang ketika mereka ditumpangkan satu sama lain) tercermin dari titik yang berbeda pada permukaan partikel.

Dalam kasus ketiga, ketika partikel menang dalam ukuran, permukaannya akan berperilaku seperti bidang, yang karenanya akan terjadi pembiasan dan pantulan cahaya.

Hasil penelitian

Dalam karya mereka, para ilmuwan menyiapkan dan menguji dalam praktek elemen optik untuk panjang gelombang 1,55 dan 3 mikron. Dimensi dari sistem yang diteliti adalah 114 x 114 mikron dan 200 x 200 mikron. Sistem ukuran ini, menurut para peneliti sendiri, adalah catatan bagi mereka yang dikembangkan menggunakan teknik terbalik.

Profil intensitas untuk semua perangkat yang diuji dengan kedua panjang gelombang ditetapkan sebagai spiral diskrit yang didefinisikan oleh delapan titik fokus di sepanjang sumbu optik. Masing-masing titik ini terletak di bidang fokus terpisah, dibagi sepanjang sumbu optik dengan 28 μm untuk panjang gelombang 1,55 μm dan 57 μm panjang gelombang 3 μm. Titik fokus terletak pada lingkaran dengan jari-jari 12 μm untuk panjang gelombang 1,55 dan 20 μm untuk panjang gelombang 3 μm.


Gambar No. 1: Representasi skematis dari lokasi bola, gambar B - SEM 1,55 μm dari perangkat yang dilapisi dengan kesalahan produksi emas, C dan D pada perangkat.

* SEM - pemindaian mikroskop elektron.

Sistem litograf dua foton digunakan untuk memproduksi perangkat. Selama proses pembuatan, kami menggunakan lensa 63x yang dipasangkan dengan resistor IP-Dip (n ~ 1,47 pada panjang gelombang yang dihitung), yang memberikan resolusi maksimum yang mungkin selama pembuatan (~ 200 nm).

Tugas utama pada tahap pembuatan adalah membuat satu set bola identik pada kotak persegi dalam ruang hampa. Substrat tidak digunakan, karena pengaruhnya terhadap kinerja perangkat sangat kecil.

Frekuensi bola untuk perangkat dengan panjang gelombang 1,55 μm ditetapkan menjadi 2,42 μm (gelombang super), dan untuk perangkat dengan panjang gelombang 3 μm, 2,9 μm (sub-gelombang).

Seperti yang dapat kita lihat dalam gambar 1C dan 1D , tidak semua bola adalah bola, mis. beberapa dari mereka tidak teratur bentuknya. Kesalahan produksi seperti itu tidak diperhitungkan dalam pemodelan dan optimasi.


Gambar No. 2: pengoperasian perangkat 1,55 mikron selama simulasi dan selama tes yang sebenarnya.

Selama pengujian, dua mikroskop terpisah digunakan untuk setiap perangkat (1,55 dan 3 μm). Selama percobaan, ditemukan bahwa elemen optik menciptakan titik yang jelas (titik) intensitas tinggi, yang sesuai dengan prediksi pemodelan. Namun, percobaan menunjukkan kontras yang lebih rendah antara titik fokus dan latar belakang dibandingkan dengan simulasi. Selain itu, dalam foto 2E , 2F, dan 2N , hot spot yang lebih kecil dengan intensitas signifikan, yang tidak ada dalam simulasi, terlihat jelas.

Titik fokus aktual dibuat di lokasi spasial yang benar di pesawat, namun, ada sedikit offset antara posisi titik fokus yang diharapkan di sepanjang sumbu optik untuk titik fokus yang ditunjukkan pada 2M dan 2N . Para ilmuwan menjelaskan perbedaan ini dalam pemodelan dan percobaan dengan kesalahan produksi.

Selanjutnya, perbandingan dibuat dari lokasi titik fokus dalam pesawat selama simulasi dan selama percobaan. Titik-titik (merah) yang disimulasikan ditunjukkan dalam 3A terletak pada lingkaran hitam putus-putus dengan jari-jari 12 μm.


Gambar No. 3: A - lokasi titik fokus, B - perbedaan posisi titik simulasi dan eksperimental.

Poin eksperimental (biru) mematuhi sebagian besar untuk bentuk dan perilaku yang sama sesuai dengan faktor Q yang diberikan. Namun demikian, ada beberapa kesalahan - poin pertama dan terakhir tidak terletak sempurna satu sama lain (1 dan 8 pada gambar 3A ). Perbedaan tersebut dapat dikaitkan dengan kesalahan selama produksi dan dengan kesalahan selama karakterisasi optik.

Teknik ini bukannya tanpa masalah. Kerugian utama saat ini harus dianggap dibatasi secara eksklusif oleh pencar bola dan indeks bias rendah. Hamburan Mie dapat dikombinasikan dengan teori matriks-T, yang memungkinkan penggunaan partikel-partikel bentuk sewenang-wenang (silinder, ellipsoid, dll.). Secara khusus, kombinasi dari metode yang dipelajari dengan sebaran silinder akan memungkinkan untuk menerapkan metode ini pada proses klasik untuk produksi semikonduktor biner. Selain itu, penerapan teori matriks-T akan meningkatkan indeks bias, yang merupakan komponen penting dari tingkat kinerja elemen optik.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Dalam studi ini, para ilmuwan dapat berhasil menunjukkan dalam praktek metode desain menggunakan hamburan balik Mie, yang memungkinkan Anda untuk mengatur bidang optik dalam tiga dimensi dan sangat cocok untuk array besar penghambur dielektrik diskrit. Metode ini memungkinkan penggunaan properti difuser individu yang paling efisien untuk kepentingan sistem bersama bagi mereka.

Selama percobaan, para ilmuwan menguji metode ini dengan mengembangkan elemen optik yang menciptakan diagram fokus optik spiral diskrit. Elemen seperti itu yang menciptakan PSF seperti lensa dapat digunakan dalam sistem visualisasi yang terkait dengan ekstraksi elemen pada bidang kedalaman tertentu tanpa melakukan operasi dekonvolusi.

Karya ini adalah langkah pertama menuju penerapan gagasan optik "fleksibel", ketika dimungkinkan untuk membuat elemen optik yang propertinya akan cocok untuk tugas-tugas tertentu.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan! :)

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?