Принципы проектирования и экспериментальные данные команды демонстрируют, что можно моделировать и конструировать устройства из метаматериалов, которые могут точно манипулировать оптическими полями с высоким пространственным разрешением в трех измерениях. Хотя команда выбрала спиральный узор – спиральную спираль – для своего оптического элемента для фокусировки света, их подход может быть использован для разработки оптических элементов, которые управляют и фокусируют свет в других узорах.
Устройства с таким уровнем точности управления светом можно использовать не только для миниатюризации современных оптических элементов, таких как линзы или ретрорефлекторы, но и для создания новых разновидностей. Кроме того, проектирование оптических полей в трех измерениях может позволить создавать сверхкомпактные датчики глубины для автономной транспортировки, а также оптические элементы для дисплеев и датчиков в гарнитурах виртуальной или дополненной реальности.
«Это устройство, о котором сообщают, действительно не имеет классического аналога в преломляющей оптике – оптике, с которой мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни», – сказал автор-корреспондент Арка Маджумдар, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники и физики из Университета штата Вашингтон. в Институте нанотехнологических систем UW и Институте молекулярных и инженерных наук. "Никто еще не делал подобное устройство с таким набором возможностей."
Команда, в которую входят исследователи из Исследовательской лаборатории ВВС и Исследовательского института Дейтонского университета, применила менее используемый подход в области оптических метаматериалов для разработки оптического элемента: обратный дизайн.
Используя обратный дизайн, они начали с того типа профиля оптического поля, который они хотели создать – восемь сфокусированных световых точек по спирали – и разработали поверхность из метаматериала, которая создала бы этот узор.
«Мы не всегда интуитивно знаем подходящую структуру оптического элемента с учетом конкретной функциональности», – сказал Маджумдар. "Здесь на помощь приходит обратный дизайн: вы позволяете алгоритму разрабатывать оптику."
Хотя этот подход кажется простым и позволяет избежать недостатков методов проектирования методом проб и ошибок, обратный дизайн не широко используется для оптически активных метаматериалов большой площади, потому что он требует большого количества симуляций, что делает обратный дизайн требовательным к вычислительным ресурсам.
Здесь команда избежала этой ловушки благодаря пониманию Алана Чжана, ведущего автора статьи, который недавно окончил Университет штата Вашингтон со степенью доктора физики. Чжан понял, что команда может использовать теорию рассеяния Ми для разработки оптического элемента. Рассеяние Ми описывает, как световые волны определенной длины волны рассеиваются сферами или цилиндрами, размер которых аналогичен длине оптической волны.
По словам Чжана, теория рассеяния Ми объясняет, как металлические наночастицы в цветном стекле могут придавать определенным церковным окнам яркий цвет и как другие витражи меняют цвет в зависимости от длины волны света.
«Наша реализация теории рассеяния Ми специфична для определенных форм – сфер – что означало, что мы должны были включить эти формы в конструкцию оптического элемента», – сказал Чжан. «Но, полагаясь на теорию рассеяния Ми, мы значительно упростили процесс проектирования и моделирования, потому что мы могли делать очень конкретные, очень точные вычисления о свойствах света, когда он взаимодействует с оптическим элементом."
Их подход может быть использован для включения различных геометрических фигур, таких как цилиндры и эллипсоиды.
Оптический элемент, созданный командой, по сути представляет собой поверхность, покрытую тысячами крошечных сфер разного размера, расположенных в виде периодической квадратной решетки.
Использование сфер упростило конструкцию, и команда использовала имеющийся в продаже 3D-принтер для изготовления двух прототипов оптических элементов – большего из двух со сторонами всего 0.02 сантиметра в длину – на заводе нанофабрикатов в Вашингтоне в кампусе UW. Оптические элементы были напечатаны на 3D-принтере из ультрафиолетовой эпоксидной смолы на стеклянных поверхностях.
Один элемент был разработан для фокусировки света на 1550 нанометров, другой – на 3000 нанометров.
Исследователи визуализировали оптические элементы под микроскопом, чтобы увидеть, насколько хорошо они работают, как было задумано – фокусируя свет размером 1550 или 3000 нанометров в восьми конкретных точках вдоль трехмерного спирального узора. Под микроскопом наиболее сфокусированные точки света находились в положениях, предсказанных теоретическим моделированием команды.
Например, для устройства с длиной волны 1550 нм шесть из восьми точек фокусировки находились в прогнозируемом положении. Остальные два показали лишь незначительные отклонения.
Благодаря высокой производительности своих прототипов команда хотела бы улучшить процесс проектирования, чтобы уменьшить фоновые уровни света и повысить точность размещения фокусных точек, а также включить другие элементы дизайна, совместимые с теорией рассеяния Ми.
«Теперь, когда мы продемонстрировали работу основных принципов проектирования, есть много направлений, в которых мы можем двигаться с таким уровнем точности при изготовлении», – сказал Маджумдар.
Одним из особенно многообещающих направлений является выход за рамки одной поверхности для создания трехмерного метаматериала с истинным объемом.
«3D-печать позволяет нам создавать стопку этих поверхностей, что было невозможно раньше», – сказал Маджумдар.