Физики из ETH Zurich разработали линзу, которая может преобразовывать инфракрасный свет в видимый, уменьшая длину волны падающего света вдвое. Исследование [опубликовано](https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202418957) в журнале Advanced Materials.
Линзы: от прошлого к будущему
Линзы — наиболее широко используемые оптические устройства. Например, объективы фотоаппаратов создают чёткое фото или видео, направляя свет в фокус. Скорость эволюции в области оптики за последние десятилетия иллюстрируется трансформацией традиционных громоздких камер в компактные камеры смартфонов.
Даже высокопроизводительные камеры смартфонов всё ещё требуют набора линз, которые часто составляют самую толстую часть телефона. Это ограничение размера — неотъемлемая особенность классической конструкции линз — толстая линза имеет решающее значение для преломления света и получения чёткого изображения на датчике камеры.
Металлины: революция в оптике
За последние 10 лет в области оптики были достигнуты значительные успехи, направленные на преодоление этого ограничения. Решение было найдено в виде металинз. Они плоские, работают так же, как обычные линзы, и в 40 раз тоньше человеческого волоса.
Специальная метаповерхность, состоящая из структур шириной и высотой всего в сотню нанометров (один нанометр — это одна миллиардная часть метра), изменяет направление света. Используя такие наноструктуры, исследователи могут радикально уменьшить размер линзы и сделать её более компактной.
В сочетании со специальными материалами эти наноструктуры можно использовать для изучения других необычных свойств света. Одним из примеров является нелинейная оптика, где свет преобразуется из одного цвета в другой.
Нелинейная оптика в действии
Зелёная лазерная ручка работает по этому принципу: инфракрасный свет проходит через высококачественный кристаллический материал и генерирует свет с половиной длины волны — в данном случае зелёный свет. Одним из хорошо известных материалов, который производит такие эффекты, является ниобат лития. Он используется в телекоммуникационной отрасли для создания компонентов, которые связывают электронику с оптическими волокнами.
Профессор Института квантовой электроники ETH Zurich Рэйчел Грейндж проводит исследования по изготовлению наноструктур с такими материалами. Она и её команда разработали новый процесс, который позволяет использовать ниобат лития для создания металинз.
Для своего нового метода физик сочетает химический синтез с прецизионной наноинженерией. «Раствор, содержащий предшественники для кристаллов ниобата лития, можно штамповать, пока он ещё находится в жидком состоянии. Это работает аналогично печатному станку Гутенберга», — объясняет соавтор исследования Улле-Линда Талтс, докторант, работающий с Рэйчел Грейндж. После того как материал нагревают до 600 °C, он приобретает кристаллические свойства, которые позволяют преобразовывать свет, как в случае с зелёной лазерной ручкой.
Процесс имеет ряд преимуществ. Производство наноструктур из ниобата лития сложно с помощью обычных методов, поскольку он исключительно стабилен и твёрд. По словам исследователей, эта техника подходит для массового производства, поскольку обратную форму можно использовать многократно, что позволяет печатать столько металинз, сколько потребуется. Это также гораздо более рентабельно и быстрее в изготовлении, чем другие миниатюризированные оптические устройства на основе ниобата лития.
Используя эту технику, исследователи из ETH в группе Грейндж создали первые металинзы из ниобата лития с точно спроектированными наноструктурами. Эти устройства могут одновременно изменять длину волны лазерного света, функционируя как обычные линзы для фокусировки света. Когда инфракрасный свет с длиной волны 800 нанометров проходит через металинзу, на другом конце появляется видимое излучение с длиной волны 400 нанометров, которое направляется в заданную точку.
Это волшебство преобразования света, как называет его Рэйчел Грейндж, стало возможным благодаря специальной структуре сверхтонкой металинзы и составу материала, который позволяет возникновению так называемого нелинейного оптического эффекта. Этот эффект не ограничивается определённой длиной волны лазера, что делает процесс универсальным для широкого спектра применений.
Перспективы использования металинз
Металлины и аналогичные наноструктуры, генерирующие голограммы, могут использоваться в качестве защитных элементов для защиты банкнот и ценных бумаг от подделок, а также для аутентификации произведений искусства. Их точные структуры слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью видимого света, в то время как их нелинейные свойства материала позволяют проводить высоконадёжную аутентификацию.
Исследователи также могут использовать простые детекторы камеры для преобразования и управления излучением лазерного света, чтобы сделать инфракрасный свет — например, в датчиках — видимым. Или для уменьшения количества оборудования, необходимого для формирования рисунка в глубоком ультрафиолете при производстве современной электроники.
Область таких сверхтонких оптических элементов, известных как метаповерхности, является относительно молодой отраслью исследований на стыке физики, материаловедения и химии. «Мы только начали исследовать эту область и очень рады видеть, какое влияние этот тип новых рентабельных технологий окажет в будущем», — говорит Грейндж.