Hole metalens! Nieuwe metalens focust licht met ultradiepe gaten

Metasurfaces zijn structuren op nanoschaal die interageren met licht. Tegenwoordig gebruiken de meeste meta-oppervlakken monolietachtige nanopilaren om licht te focussen, vorm te geven en te regelen. Hoe groter de nanopijler, hoe meer tijd het licht nodig heeft om door de nanostructuur te gaan, waardoor het meta-oppervlak meer veelzijdige controle heeft over elke lichtkleur. Maar zeer hoge pilaren hebben de neiging om te vallen of aan elkaar te kleven. Wat als je, in plaats van hoge gebouwen te bouwen, de andere kant op zou gaan?

In een recent artikel ontwikkelden onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) een meta-oppervlak dat gebruikmaakt van zeer diepe, zeer smalle gaten in plaats van zeer hoge pilaren, om het licht op een enkele plek te concentreren.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nano-letters.

Het nieuwe meta-oppervlak maakt gebruik van meer dan 12 miljoen naaldachtige gaten die zijn geboord in een siliciummembraan van 5 micrometer, ongeveer 1/20 van de dikte van het haar. De diameter van deze lange, dunne gaten is slechts een paar honderd nanometer, waardoor de beeldverhouding (de verhouding tussen hoogte en breedte) bijna 30:1 is.

Het is de eerste keer dat gaten met zo’n hoge aspectverhouding zijn gebruikt in meta-optica.

“Deze benadering kan worden gebruikt om grote achromatische metalenses te creëren die verschillende kleuren licht op hetzelfde brandpunt concentreren, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor een generatie van platte optica met een hoge aspectverhouding, waaronder breedbandachromatische metalenses met een groot oppervlak,” zei Federico Capasso, de Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering bij SEAS en senior auteur van het artikel.

“Als je pilaren met deze beeldverhouding zou proberen te maken, zouden ze omvallen”, zegt Daniel Lim, een afgestudeerde student aan SEAS en mede-eerste auteur van het artikel. “Het gatenplatform verhoogt de toegankelijke beeldverhouding van optische nanostructuren zonder in te boeten aan mechanische robuustheid.”

Net als bij nanopilaren, die in grootte variëren om licht te focussen, heeft de holey metalens gaten van verschillende grootte die precies over de lensdiameter van 2 mm zijn gepositioneerd. De variatie van de gatgrootte buigt het licht naar de lensfocus.

“Holey-metasurfaces voegen een nieuwe dimensie toe aan lensontwerp door de opsluiting en verspreiding van licht over een brede parameterruimte te beheersen en nieuwe functionaliteiten mogelijk te maken”, zegt Maryna Meretska, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en mede-eerste auteur van het artikel. “Gaten kunnen worden opgevuld met niet-lineaire optische materialen, wat zal leiden tot het genereren en manipuleren van licht met meerdere golflengten, of met vloeibare kristallen om de eigenschappen van licht actief te moduleren.”

De metalenses zijn vervaardigd met behulp van conventionele processen in de halfgeleiderindustrie en standaardmaterialen, waardoor ze in de toekomst op grote schaal kunnen worden vervaardigd.

Het Harvard Office of Technology Development heeft het intellectuele eigendom met betrekking tot dit project beschermd en onderzoekt de mogelijkheden voor commercialisering.