Doubling Down on Metasurfaces: Bilayer Device kan vele vormen van gepolariseerd licht regelen

Bijna tien jaar geleden onthulden Harvard-ingenieurs ’s werelds eerste zichtbare spectrum metasurfaces-ultradunne, platte apparaten met nanoschaal met nanoschaal structuren die het gedrag van licht nauwkeurig konden regelen. Een krachtig alternatief voor traditionele, omvangrijke optische componenten, metasurfaces maken tegenwoordig compacte, lichtgewicht, multifunctionele toepassingen mogelijk, variërend van beeldvormingssystemen en augmented reality tot spectroscopie en communicatie.

Nu verdubbelen onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), letterlijk, over metasurface -technologie door een dubbellaagse metasurface te creëren, gemaakt van niet één, maar twee gestapelde lagen titaniumdioxide nanostructuren. Onder een microscoop ziet het nieuwe apparaat eruit als een dichte reeks getrapte wolkenkrabbers.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

“Dit is een prestatie van nanotechnologie op het hoogste niveau,” zei senior auteur Federico Capasso, de Robert L. Wallace hoogleraar Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering at Seas. “Het opent een nieuwe manier om licht te structureren, waarin we al zijn aspecten zoals golflengte, fase en polarisatie op een ongekende manier kunnen ontwikkelen … het betekent een nieuwe weg voor metasurfaces die – tot nu toe – gewoon het oppervlak hebben gekrabd.”

Eeuwenlang hebben optische systemen vertrouwd op omvangrijke, gebogen lenzen gemaakt van glas of plastic om te buigen en licht te concentreren. De meten-geleide metasurface-revolutie van het laatste decennium heeft vlakke, ultradunne structuren geproduceerd met miljoenen kleine elementen die licht kunnen manipuleren met nanometer precisie. Een opvallend voorbeeld van deze technologie zijn de metalen. In tegenstelling tot conventionele lenzen, kunnen metalsen worden gefabriceerd met bestaande halfgeleiderproductie, waardoor mogelijk compacte, geïntegreerde optische systemen in apparaten zoals smartphones, camera’s en augmented reality -displays worden gefabriceerd.

Nadat het team van Capasso hun eerste werkende metalens meldde die zichtbaar licht kunnen buigen, werkten ze samen met Harvard’s Office of Technology Development om de technologie te licentiëren en een bedrijf te starten, Metalenz. Sindsdien hebben ze een groot aantal potentiële toepassingen aangetoond, waaronder een endoscoop, een kunstmatig oogen een telescooplens.

Maar het uitgevonden team van de single-layer nanostructuurontwerp Capasso is-op sommige manieren-beperkt. Eerdere metasurfaces stellen bijvoorbeeld specifieke vereisten aan de manipulatie van de polarisatie van het licht – dat wil zeggen de oriëntatie van de lichtgolven – om het gedrag van het licht te regelen.

“Veel mensen hadden de theoretische mogelijkheid van een dubbellaagmetasurface onderzocht, maar het echte knelpunt was de fabricage”, zei Alfonso Palmieri, afgestudeerde student en co-lead auteur van de studie. Met deze doorbraak, legde Palmieri uit, kon men zich nieuwe soorten multifunctionele optische apparaten voorstellen – bijvoorbeeld een systeem dat de ene afbeelding van de ene kant projecteert en een heel ander beeld dan de andere.

Met behulp van de faciliteiten van het Centre for Nanoschaal-systemen bij Harvard, kwamen het team met voormalige postdoctorale onderzoekers Ahmed Dorrah en Joon-Suh Park met een fabricageproces voor vrijstaande, stevige structuren van twee metasurfaces die sterk bij elkaar zijn maar niet chemisch op elkaar beïnvloeden. Hoewel dergelijke patronen op meerdere niveaus gebruikelijk zijn in de silicium-halfgeleiderwereld, was het niet zo goed onderzocht in optica en metaoptica.

Om de kracht van hun apparaat aan te tonen, bedacht het team een ​​experiment waarin ze hun dubbellaagse metalens gebruikten om op gepolariseerd licht te werken op dezelfde manier als een gecompliceerd systeem van golfplaten en spiegels.

In toekomstige experimenten zou het team kunnen uitbreiden naar nog meer lagen om controle uit te oefenen op andere aspecten van licht, zoals extreme breedbandbewerking met veel efficiëntie over het gehele zichtbare en bijna-infraroodspectrum, waardoor de deur werd geopend voor nog meer geavanceerde op licht gebaseerde functionaliteiten.