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 — самые распространённые оптические устройства
Объективы камер, например, создают чёткое фото или видео, направляя свет в фокус. Скорость эволюции в области оптики за последние десятилетия иллюстрируется трансформацией обычных громоздких камер в современные 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.
Металлиenses — новый шаг в оптике
За последние 10 лет в области оптики были достигнуты значительные успехи, направленные на преодоление этого ограничения. Решение было найдено в виде металлических линз (metalenses). 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.
Принцип работы зелёной лазерной указки
Зелёная лазерная указка 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 создаёт такие эффекты, является ниобат лития. Он используется в телекоммуникационной отрасли для создания компонентов, которые соединяют 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 металлических линз.
Для своего нового метода физик сочетает химический синтез с прецизионной наноинженерией. «Раствор, содержащий предшественники для кристаллов ниобата лития, можно штамповать, пока он ещё в жидком состоянии. Это работает аналогично печатному станку Гутенберга», — объясняет соавтор исследования Улле-Линда Талтс, докторант, работающий с Рэйчел Грейндж. После нагрева материала до 600 °C он приобретает кристаллические свойства, которые позволяют преобразовывать свет, как в случае с зелёной лазерной указкой.
Процесс имеет несколько преимуществ. Производство наноструктур из ниобата лития сложно с использованием традиционных методов, поскольку он исключительно стабилен и твёрд. По словам исследователей, эта технология подходит для массового производства, поскольку обратную форму можно использовать многократно, что позволяет печатать столько металлических линз, сколько потребуется. Это также гораздо более рентабельно и быстрее в изготовлении, чем другие миниатюрные оптические устройства на основе ниобата лития.
Используя эту технику, исследователи из ETH в группе Грейндж создали первые металлические линзы из ниобата лития с точно спроектированными наноструктурами. Эти устройства могут одновременно изменять длину волны лазерного света, функционируя как обычные светофокусирующие линзы.
Когда инфракрасный свет с длиной волны 800 нанометров проходит через металлическую линзу, с другой стороны 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 металлической линзы и её составу из материала, который позволяет возникновению так называемого нелинейного оптического эффекта. Этот эффект не ограничивается определённой длиной волны лазера, что делает процесс универсальным в широком спектре применений.
Металлические линзы и подобные им наноструктуры, генерирующие голограммы, могут использоваться в качестве защитных элементов для защиты банкнот и ценных бумаг от подделок, а также для подтверждения подлинности 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 высоконадёжную аутентификацию.
Исследователи также могут использовать простые детекторы камеры для преобразования и направления излучения лазерного света, чтобы сделать инфракрасный свет — например, в датчиках — видимым. Или для уменьшения количества оборудования, необходимого для создания шаблонов глубокого УФ-излучения в современной электронике.
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 увидеть, какое влияние этот тип новых рентабельных технологий окажет в будущем», — говорит Грейндж.
Предоставлено [ETH Zurich](https://phys.org/partners/eth-zurich/)