Исследователи разработали ультратонкую линзу, которая может преобразовывать инфракрасный свет в видимый.
Линзы — самые распространённые оптические устройства
Объективы камер, например, создают чёткое фото или видео, направляя свет в фокусную точку.
Эволюция в области оптики за последние десятилетия проявляется в превращении обычных громоздких камер в компактные камеры смартфонов.
Даже высокопроизводительные камеры смартфонов всё ещё требуют набора линз, которые часто составляют самую толстую часть телефона. Ограничение по размеру — неотъемлемая черта классического дизайна линз: толстая линза имеет решающее значение для преломления света и получения чёткого изображения на датчике камеры.
Металлиenses — прорыв в оптике
За последние десять лет в области оптики были предприняты значительные усилия, чтобы преодолеть это ограничение. Решение было найдено в виде металинз. Они плоские, работают так же, как обычные линзы, и при этом в 40 раз тоньше человеческого волоса и лёгкие, поскольку не требуют изготовления из стекла.
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 могут использоваться для изучения других необычных свойств света. Одним из примеров является нелинейная оптика, где свет преобразуется из одного цвета в другой. 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 создаёт такие эффекты, является ниобат лития. Он используется в телекоммуникационной отрасли для создания компонентов, которые связывают электронику с оптическими волокнами.
Профессор Рэйчел Грейндж и её команда
Рэйчел Грейндж, профессор Института квантовой электроники при ETH Zurich, проводит исследования по изготовлению наноструктур с использованием таких материалов. Она и её команда разработали новый процесс, который позволяет использовать ниобат лития для создания металинз. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.
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 печатном станку Гутенберга», — объясняет соавтор исследования Ульле-Линда Талтс, докторант, работающий с Грейндж. После нагрева материала до 600 °C (1112 °F) он приобретает кристаллические свойства, которые позволяют преобразовывать свет, как в случае с зелёной лазерной ручкой.
Процесс имеет ряд преимуществ. Производство наноструктур из ниобата лития с помощью традиционных методов затруднено, 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 металинз, сколько потребуется. Это также гораздо более рентабельно и быстрее в изготовлении, чем другие миниатюрные оптические устройства на основе ниобата лития.
Используя эту методику, исследователи из группы 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 направляется через металинзу, с другой стороны появляется видимое излучение с длиной волны 400 нанометров, которое направляется в заданную точку.
Грейндж называет это «магией» преобразования света, которая стала возможной благодаря специальной структуре ультратонкой металинзы 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 для широкого спектра применений.
Применение металинз
Металлиenses и подобные им наноструктуры, генерирующие голограммы, могут использоваться в качестве защитных элементов для защиты банкнот и ценных бумаг от подделок и 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 проводить 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 сокращения оборудования, необходимого для формирования рисунка в глубоком ультрафиолете при производстве современной электроники.
Область таких ультратонких 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», — подчёркивает Грейндж.
Исследование частично финансировалось за счёт гранта SNFS Consolidator для Рэйчел Грейндж.
Источник: ETH Zurich
Статья «Волшебные линзы делают инфракрасный свет видимым» впервые опубликована на Futurity.