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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) przy Uniwersytecie Côte d’Azur(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie). 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „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(odnośnik otworzy się w nowym oknie), 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.
