Lustra „transmogryfikujące” utworzone za pomocą nanoskalowych wzorców
W ciągu ostatnich 30 lat w fotonice zaszły ważne zmiany technologiczne, które sprawiły, że elementy fotoniczne stały się niezmiernie istotnymi składowymi zastosowań w nawigacji, teledetekcji i komunikacji. Jednak manipulowanie światłem zazwyczaj wymaga użycia soczewek optycznych – nieporęcznych, ciężkich i podatnych na uszkodzenia. Finansowany ze środków UE projekt FLATLIGHT ma na celu wsparcie dalszej miniaturyzacji optyki i optoelektroniki przez zastosowanie alternatywnego systemu prowadzenia i kształtowania wiązki świetlnej. „Zasadniczo nasza praca sprowadza się do tworzenia urządzeń optycznych, które powielają działanie nieporęcznych soczewek optycznych i pryzmatów za pomocą odpowiednich nanostrukturalnych granic ośrodków”, wyjaśnia koordynator projektu Patrice Genevet.
Kontrola nad światłem
Jego zespół działający w ośrodku badań nad heteroepitaksją i jej zastosowaniami CRHEA przy Uniwersytecie Côte d’Azur przygotował konstrukcje umieszczane na granicy ośrodków o grubości zaledwie 1 mikrona, zawierające macierze nanoskalowych, prostokątnych bloków o ściśle kontrolowanych rozmiarach, kształtach i rozmieszczony w odpowiednich odstępach. „Elementy te formują wiązkę światła, zmieniając właściwości pola elektromagnetycznego, tj. fazę amplitudy, polaryzację fali i jej częstotliwość w materiale o grubości mniejszej niż setna część średnicy ludzkiego włosa”, mówi Genevet. „Celem projektu FLATLIGHT jest wytworzenie metapowierzchni aktywnych w widzialnym zakresie długości fal przy użyciu nanostrukturalnych materiałów półprzewodnikowych, które pozwalają kontrolować emisję światła, jego przenikanie przez ośrodek i odbicie na granicy ośrodków”. Na przykład niektóre nanostruktury mogą zakrzywiać wiązkę światła w wybranym kierunku, gdy przechodzi ona przez granicę ośrodków. Wprowadzenie precyzyjnych zmian w ukształtowaniu całej powierzchni pozwala zaginać wiązkę światła przechodzącego przez granicę ośrodków na krawędziach bardziej niż w środku, czyli efektywnie powodować jej skupienie. „Są to metapowierzchnie, czyli powierzchnie o właściwościach, które nie pojawiają się zwykle na granicy ośrodków”, dodaje Genevet. „Metapowierzchnie dają naprawdę niesamowite możliwości pracy ze światłem. Żadne inne układy optyczne nie oferują nam niczego podobnego”. Jednym z zastosowań dla tych materiałów są lasery z pionową wnęką rezonansową (VCSEL) – drobne elementy elektroniczne emitujące światło laserowe o wysokiej częstotliwości i małej mocy. Są one niezbędne w rozwiązaniach takich jak LIDAR potrzebny w technologii rozpoznawania twarzy przez smartfony. Formując powierzchnię diody laserowej w odpowiedni wzór, Genevet i jego zespół wykazali, że emitowane przez nią światło można kształtować dowolnie, co pozwoliło skutecznie zmniejszyć rozbieżność wiązki i wyeliminować potrzebę stosowania dodatkowej soczewki kolimacyjnej.
Urządzenia maskujące
Nanostruktury można również wykorzystywać do poprawy możliwości tradycyjnych soczewek optycznych, w których zawsze występują wady, tak zwane aberracje. Na przykład przyczyną powstawania aberracji chromatycznej jest różne załamywanie światła o różnych długościach fal, co powoduje powstawanie na obrazie tęczowych prążków. Trawienie nanostruktur na powierzchni soczewki mogłoby to zredukować ten efekt. Technologię tę można również wykorzystać do wytwarzania diod LED o bardziej zaawansowanych właściwościach, takich jak polaryzacja czy oświetlenie kierunkowe. Daje to pewne możliwości w zakresie tworzenia kompaktowych wyświetlaczy holograficznych. „Innym interesującym zastosowaniem jest maskowanie”, mówi Genevet. „Wyobraźmy sobie granicę ośrodków owiniętą wokół jakiegoś obiektu i odbijającą obraz czegoś innego. Byłaby to nowa forma maskowania, zdolna zmienić jedną rzecz w coś zupełnie innego – taki fizyczny odpowiednik zaklęcia transmogryfikującego, jakim posługiwali się bohaterowie książek o Harrym Potterze”. Prace w ramach projektu były wspierane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych. „Oczywistym jest, że bez wsparcia ERBN ten projekt nie mógłby zaistnieć”, zauważa Genevet. „Dzięki niemu mogłem uruchomić ten program, opracować wszystkie niezbędne procedury nanoprodukcji, programy koncepcyjne i założyć laboratorium charakteryzacji optycznej”. Genevet planuje teraz ubiegać się o grant konsolidacyjny, aby kontynuować te badania. „Mamy naprawdę niesamowite pomysły, a teraz także jasną wizję tego, co jest możliwe, a co nie”. Jego laboratorium otrzymało również fundusze ERBN pozwalające poprowadzić badania weryfikujące słuszność koncepcji związanej z opracowaniem kompaktowego systemu LIDAR wysokich częstotliwości przy użyciu metapowierzchni. Obecnie zespół stara się przygotować bardziej kompleksowy prototyp z myślą o komercjalizacji tej technologii.
Słowa kluczowe
FLATLIGHT, światło, załamanie, laser, metapowierzchnia, nanoskala, transmogryfikacja, soczewki, fotonika, optoelektronika