Controle de luz: um novo tipo de elementos ópticos baseados em metamateriais

Todos os dias nos deparamos com processos e fenômenos que nem percebemos, ou melhor, nem vemos. Alguns deles entendemos e outros apenas precisamos entender. Mas o trabalho da comunidade científica nunca se limitou a entender qualquer coisa, porque uma pessoa sempre quis não apenas entender, mas colocar em prática seu conhecimento, e isso geralmente significa apenas uma coisa - controle. Hoje, encontraremos um estudo no qual cientistas da Universidade de Washington foram capazes de criar um novo metamaterial que pode manipular a luz em escala nanométrica. Quais são as características de sua estrutura, qual o papel do trabalho de Gustav Mi nisso e qual é a implementação prática dessa inovação? Aprendemos sobre isso no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Base de estudo

Os ancestrais deste estudo são elementos ópticos baseados em matrizes de dispersores dielétricos discretos que podem controlar a amplitude local e a fase dos campos ópticos. Tais desenvolvimentos tornaram possível miniaturizar elementos ópticos tradicionais, como lentes e retrorrefletores. Além disso, matrizes de dispersores dielétricos tornaram-se a base para novos elementos ópticos multifuncionais baseados em funções de polarização ou multiplexação de ondas e dispersão de pontos.

No momento, a grande maioria das pesquisas nessa área foi realizada tendo em vista métodos intuitivamente orientados de design direto. Tais métodos realizam o perfil de fase desejado usando bibliotecas difusoras discretas pré-compiladas. As propriedades de tais dispersores são calculadas levando em consideração as condições de contorno periódicas quando se assume que um dispersor se comporta da mesma maneira que uma matriz de dispersores. Essa aproximação, comumente conhecida como aproximação de fase local, negligencia as diferenças nas interações entre dispersores adjacentes no elemento óptico, o que é inaceitável para um perfil de fase com um gradiente acentuado. Além disso, na ausência de um perfil de fase conhecido, essa abordagem não pode ser usada para criar um elemento óptico.

Os métodos de engenharia reversa começam determinando o fator de qualidade em função dos parâmetros ajustáveis ​​do difusor, que tentam encapsular com precisão as características do elemento óptico. Ou seja, o algoritmo calcula o fator de qualidade e seu gradiente para uma determinada configuração de dispersores dielétricos e não seleciona a configuração por tentativa e erro. O algoritmo aborda a configuração, usando o gradiente como a direção atualizada para otimizar o fator de qualidade.

O método de engenharia reversa, neste caso, permite estudar as configurações de difusores que seriam ignoradas pelos métodos intuitivos de projeto direto.

O método de engenharia reversa já havia sido utilizado com sucesso na criação de nanoestruturas plasmônicas e elementos fotônicos integrados planares dielétricos, bem como no recente desenvolvimento de elementos ópticos bidimensionais baseados em dispersores. Os dispositivos resultantes mostraram uma eficiência aumentada da deflexão do feixe em um ângulo grande e nas lentes multicamada.

No entanto, devido à necessidade de uma grande quantidade de memória e baixa escalabilidade para sistemas grandes que consistem em pequenos elementos, os métodos de engenharia reversa podem ser aplicados apenas a elementos bidimensionais ou células elementares tridimensionais muito pequenas.

Naturalmente, isso não impediu os cientistas da Universidade de Washington, então eles decidiram tentar aplicar o método de engenharia reversa em suas pesquisas, mas fizeram algumas alterações e acréscimos. Como resultado, eles conseguiram criar PSF (funções de dispersão de pontos) em três dimensões usando o método de engenharia reversa baseado em gradiente para matrizes de dispersores Mie esféricos.

Antes de mergulhar no abismo dos resultados da pesquisa, um pouco de compreensão da terminologia.

Em primeiro lugar, metamateriais. Este termo refere-se a sistemas complexos cujas propriedades são caracterizadas não pelas propriedades do material de que são compostas, mas pela estrutura do próprio sistema.

Todos nos lembramos que uma bandeja de 30 ovos pode suportar um peso considerável, mas isso não significa a força da casca. A casca em si não é tão forte, mas a "bandeja de ovos" é o nosso metamaterial - um sistema cuja força não depende da força da casca, mas do número de ovos e de sua posição.


Um exemplo de uma estrutura complexa de metamateriais.

Um exemplo semelhante seria uma caixa de papelão com muitas partições dentro (como uma grade). O fato de que essa caixa pode suportar peso pesado não significa a resistência do papelão, mas é apenas uma consequência da estrutura específica da caixa, ou seja, uma conseqüência da presença de partições.

Em segundo lugar, a dispersão de Mi. Gustav Mi (1868-1957) é um físico alemão que estudou e explicou de maneira ativa e bem-sucedida a eletrodinâmica e a teoria da relatividade. É mais conhecido por sua solução da equação de Maxwell - a dispersão da luz por uma partícula esférica.


Gustav Mi

A essência de sua decisão está em relação ao tamanho da partícula e ao comprimento de onda que cai sobre essa partícula. Existem três opções para o desenvolvimento de eventos: a partícula é muito menor que o comprimento de onda, são aproximadamente a mesma e a partícula é muito maior que o comprimento de onda.

No primeiro caso, temos a dispersão Rayleigh, isto é, a dispersão sem alterar o comprimento de onda das partículas. Nesta situação, a partícula é polarizada por uma onda eletromagnética externa, o que leva à excitação de um dipolo alternado, que oscila no tempo com a frequência da onda externa. Assim, obtemos um diagrama de diretividade da luz, característico precisamente do momento dipolar.

No segundo caso, o padrão de diretividade é complicado, porque há ondas de interferência (aumento / diminuição mútuo na amplitude de várias ondas quando elas são sobrepostas) refletidas em diferentes pontos da superfície da partícula.

No terceiro caso, quando a partícula prevalecer em tamanho, sua superfície se comportará como um plano, devido ao qual ocorrerá refração e reflexão da luz.

Resultados da pesquisa

Em seu trabalho, os cientistas prepararam e testaram na prática elementos ópticos para comprimentos de onda de 1,55 e 3 mícrons. As dimensões dos sistemas estudados foram de 114 x 114 microns e 200 x 200 microns. Sistemas desse tamanho, de acordo com os próprios pesquisadores, são um recorde para aqueles que foram desenvolvidos usando engenharia reversa.

O perfil de intensidade para todos os dispositivos testados com ambos os comprimentos de onda foi definido como uma espiral discreta definida por oito pontos focais ao longo do eixo óptico. Cada um desses pontos está localizado em um plano focal separado, dividido ao longo do eixo óptico por 28 µm para um comprimento de onda de 1,55 µm e 57 µm para um comprimento de onda de 3 µm. Os pontos focais estão localizados em círculos com um raio de 12 μm para um comprimento de onda de 1,55 e 20 μm para um comprimento de onda de 3 μm.


Imagem No. 1: A é uma representação esquemática da localização das esferas, B é uma imagem SEM de 1,55 μm de um dispositivo revestido com ouro, C e D são erros de produção no dispositivo.

* SEM - microscópio eletrônico de varredura.

Um sistema litográfico de dois fótons foi usado para fabricar os dispositivos. Durante o processo de fabricação, usamos uma lente 63x emparelhada com um resistor IP-Dip (n ~ 1,47 nos comprimentos de onda calculados), que fornece a resolução máxima possível durante a fabricação (~ 200 nm).

A principal tarefa no estágio de fabricação é criar um conjunto de esferas idênticas em uma grade quadrada no vácuo. O substrato não foi utilizado, pois seu efeito no desempenho do dispositivo foi extremamente desprezível.

A frequência esférica para um dispositivo com comprimento de onda de 1,55 μm foi ajustada em 2,42 μm (superwave) e para um dispositivo com comprimento de onda de 3 μm, 2,9 μm (subwave).

Como podemos ver nas figuras 1C e 1D , nem todas as esferas são esferas, ou seja, alguns deles são de forma irregular. Tais erros de produção não foram levados em consideração na modelagem e otimização.


Imagem No. 2: operação de um dispositivo de 1,55 mícrons durante a simulação e durante os testes reais.

Durante o teste, dois microscópios separados foram usados ​​para cada dispositivo (1,55 e 3 μm). Durante os experimentos, verificou-se que o elemento óptico cria um ponto claro (ponto) de alta intensidade, o que corresponde às previsões de modelagem. No entanto, o experimento mostra um menor contraste entre o ponto focal e o plano de fundo em comparação com a simulação. Além disso, nas fotografias 2E , 2F e 2N , pontos quentes menores de intensidade significativa, que não estavam presentes na simulação, são claramente visíveis.

Os pontos focais reais são criados no local espacial correto no plano, no entanto, há um pequeno deslocamento entre as posições esperadas do ponto focal ao longo do eixo óptico para os pontos focais mostrados em 2M e 2N . Os cientistas explicam essas discrepâncias na modelagem e nos experimentos com erros de produção.

Em seguida, foi feita uma comparação da localização dos pontos focais no avião durante a simulação e durante os experimentos. Os pontos simulados (vermelhos) mostrados em 3A estão em um círculo preto tracejado com um raio de 12 μm.


Imagem No. 3: A - a localização dos pontos focais, B - a diferença na posição dos pontos simulados e experimentais.

Os pontos experimentais (azuis) aderem em grande parte à mesma forma e comportamento correspondentes a um dado fator Q. No entanto, existem alguns erros - o primeiro e o último ponto não se encaixam perfeitamente (1 e 8 na imagem 3A ). Tais discrepâncias podem ser associadas tanto a erros durante a produção quanto a erros durante a caracterização óptica.

Esta técnica não é sem problemas. A principal desvantagem no momento deve ser considerada limitada exclusivamente por dispersores esféricos e baixo índice de refração. A dispersão de Mie pode ser combinada com a teoria das matrizes T, que permite o uso de partículas de formato arbitrário (cilindros, elipsóides, etc.). Em particular, a combinação do método estudado com dispersores cilíndricos tornaria possível aplicar esse método a processos clássicos para a produção de semicondutores binários. Além disso, a aplicação da teoria das matrizes T melhorará os índices de refração, que são um componente importante do grau de desempenho de um elemento óptico.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo

Neste estudo, os cientistas conseguiram demonstrar com sucesso na prática um método de design usando a retroespalhamento Mie, que permite definir campos ópticos em três dimensões e é adequado para grandes matrizes de dispersores dielétricos discretos. Este método permite o uso mais eficiente das propriedades de difusores individuais para o benefício do sistema comum para eles.

Durante os experimentos, os cientistas testaram esse método desenvolvendo um elemento óptico que cria um diagrama de foco óptico em espiral discreto. Esse elemento que cria um PSF semelhante à lente pode ser usado em sistemas de visualização associados à extração de elementos em certos planos de profundidade sem executar uma operação de deconvolução.

Este trabalho é o primeiro passo para implementar a idéia de óptica "flexível", quando é possível criar elementos ópticos cujas propriedades serão ideais para tarefas específicas.

Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal! :)

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