«Метаповерхностная» оптика позволит улучшить качество камер смартфонов и создать простые 3D-дисплеи

Инженеры из Калифорнийского технологического института создали оптический метаматериал, материал, поверхность которого покрыта крошечными кремниевыми столбиками, которые действуют как своего рода волноводы для света. Форма, геометрические размеры и ориентация в пространстве этих столбиков позволяют управлять фазой волн света, проходящего через поверхность, что дает возможность управления поляризацией, фокусировать свет особым образом и производить с ним другие более сложные действия. А это все, в свою очередь, можно использовать для создания жидкокристаллических дисплеев, камер и трехмерных очков нового поколения.

«Метаповерхности — это объекты со структурированной поверхностью, настолько тонкие, что их условно можно считать двухмерно-плоскими. Их структура определяет весьма необычные и уникальные оптические свойства этих материалов, на базе которых мы пытаемся создать платформу нового типа для разных оптических устройств» — рассказывает Амир Арбэби (Amir Arbabi), ученый из лаборатории Квантовой оптики Калифорнийского технологического института.

Кремниевые столбики, для того, чтобы работать должным образом, должны быть несколько короче, нежели длина волны света, с которым они работают. В случае созданной учеными метаповерхности, высота этих столбиков составляет 715 нанометров, а длина волны инфракрасного света, на который воздействуют эти столбики, составляет 915 нанометров. «Однако, мы достаточно просто можем сделать элементы структуры метаповерхности короче и заставить ее работать в диапазоне видимого света» — рассказывает Амир Арбэби. Столбики имеют диаметры от 65 до 455 нанометров, а их форма немного искажена в сторону эллиптической формы. Эллиптическая составляющая формы всех столбиков ориентирована не в одну сторону, это, вместе с различной толщиной столбиков, определят каким способом каждый из них поляризует и фокусирует проходящий через него свет.

Многие из эффектов, которые обеспечивает метаповерхность, могут быть получены при помощи традиционных оптических элементов и устройств, правда это потребует выстраивания в линию некоторого числа базовых оптических компонентов, таких, как линзы, призмы и расщепители лучей. Использование метаповерхности позволяет сделать все тоже самое с меньшим количеством элементов, обеспечивая, при этом, более высокое качество. Это, в свою очередь, позволит создать более компактные, более высококачественные объективы для камер мобильных телефонов, системы управления лучами промышленных лазеров, коммуникационные лазерные системы, трехмерные дисплеи, изображение на которых видимо под разными углами, и многое другое.

Самым интересным является то, что такие метаповерхности могут быть изготовлены при помощи технологии литографии, используемые при производстве полупроводниковых чипов, не требуя производства отдельных компонентов и последующей ручной установки их на место, как это было сделано во время изготовления опытных образцов. Но это еще не означает, что уже завтра на рынке появятся устройства с оптическими элементами на базе метаповерхностей. Для этого ученым потребуется более глубоко изучить свойства метаповерхностей различного типа и обеспечить повторяемость результатов в условиях массового производства.

«Мы дали людям одну из универсальных структур» — рассказывает Амир Арбэби, — «И любой специалист, взяв ее за основу, может спроектировать любой оптический компонент, обладающий необходимым набором оптических свойств».