|
Создание прочных оптических структур из тьмы
|
|
|
|
Оптические устройства и материалы позволяют ученым и инженерам использовать свет для исследований и реальных приложений, таких как зондирование и микроскопия. Группа Федерико Капассо из Гарвардской школы инженерно-прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) посвятила годы изобретению более мощных и сложных оптических методов и инструментов. Теперь его команда разработала новые методы управления точками тьмы, а не света, используя метаповерхности. «Темные области в электромагнитных полях или оптические сингулярности традиционно представляли собой проблему из-за их сложной структуры и сложности их формирования и моделирования. Однако эти сингулярности несут в себе потенциал для революционных приложений в таких областях, как дистанционное зондирование и точные измерения», — сказал Капассо, профессор прикладной физики Роберта Л. Уоллеса и старший научный сотрудник по электротехнике Винтона Хейса в SEAS и старший автор-корреспондент двух новых статей, описывающих работу.
|
|
|
|
В 2011 году лаборатория Капассо представила метаповерхности или массивы наноструктур с субволновым интервалом. В 2016 году они использовали метаповерхности для создания высокоэффективных металинз — плоских оптических линз, содержащих наностолбы, которые они изготовили с использованием методов полупроводниковой литографии, — что открыло новую стратегию фокусировки света с использованием чрезвычайно легких устройств. В новейших исследованиях группы Капассо, опубликованных в журналах Nature Communications и Science Advances, сообщается, как технология метаповерхностей может использовать не только свет, но и тьму. «Оба этих исследования вводят новые классы оптических сингулярностей — областей спроектированной темноты — с использованием мощных, но интуитивно понятных алгоритмов для создания метаповерхностей», — сказал Сун Вей Даниэль Лим, соавтор статьи в Nature Communications с Джун-Со. Парк.
|
|
|
В этом исследовании Лим и его сотрудники разработали и изготовили оптическое устройство, содержащее метаповерхности наностолбов диоксида титана, которые могут управлять светом для создания массива оптических особенностей. Чтобы контролировать, где именно появляются эти темные точки, Лим использовал компьютерный алгоритм, который помог ему перепроектировать дизайн метаповерхности. «Я сказал компьютеру: вот чего я хочу добиться с точки зрения темных пятен, скажите мне, какой формы и диаметра должны быть наностолбики на этой метаповерхности, чтобы это произошло», — сказал он. Когда свет проходит через метаповерхность и линзу, он создает заданный набор темных пятен. «Эти темные пятна интересны тем, что их можно использовать в качестве оптических ловушек для захвата атомов», — сказал Лим. «Возможно, это можно использовать для упрощения оптической архитектуры, используемой в лабораториях атомной физики, заменив сегодняшнее обычное оборудование — приборы, занимающие 30 футов на лабораторном столе — компактными и легкими оптическими устройствами».
|
|
|
|
Темные пятна удобны не только для захвата атомов. Они также могут быть полезны в качестве высокоточных эталонных позиций для визуализации. «Точки тьмы намного меньше точек света», — сказал Лим. «Как часть системы визуализации, это делает их эффективными точками измерения для точного различения двух разных положений в образце». В своей статье Science Advances группа Капассо описала новый класс оптических сингулярностей: чрезвычайно стабильные темные точки в поляризованном оптическом поле, известные как поляризационные сингулярности. «Мы разработали точки темноты, которые могут противостоять широкому спектру возмущений — они топологически защищены», — сказала Кристина Шпегеле, первый автор статьи. «Эта надежность открывает путь к оптическим устройствам с высокой надежностью и долговечностью в различных приложениях». В предыдущих исследованиях были обнаружены некоторые поляризационные сингулярности, но условия для поддержания этого идеального пятна тьмы были чрезвычайно хрупкими, что делало их легко разрушаемыми рассеянным светом или другими условиями окружающей среды.
|
|
|
|
«Пропуская свет через специально разработанную метаповерхность и фокусирующую линзу, мы можем создать непоколебимую поляризационную сингулярность, полностью окруженную точками света, — по сути, создав темное пятно внутри яркой сферы», — сказал Шпегеле. Техника настолько надежна, что даже внесение дефекта в метаповерхность не уничтожает темное пятно, а просто меняет его положение. «Эта степень контроля может быть особенно полезна для визуализации образцов в «агрессивной» среде, где вибрации, давление, температура и рассеянный свет обычно мешают изображению», — сказал Спэгеле. Команда говорит, что эти новые разработки в области оптических сингулярностей имеют значение для дистанционного зондирования и скрытого обнаружения. «Точки темноты можно использовать для маскировки ярких источников при отображении сцены, что позволяет нам видеть слабые объекты, которые в противном случае были бы затенены», — сказал Капассо. «Объекты или детекторы, размещенные в этих темных местах, также не будут выдавать свое положение за счет рассеяния света, что позволит им быть «скрытыми», не затрагивая окружающий свет».
|
|
|
|
Источник
|
