Металинза скрутила свет в дискретную спираль

Ученые создали металинзу — преломляющий элемент на основе метаповерхностей, которая фокусирует луч света в нескольких точках, расположенных на трехмерной спирали. Подобное, как пишут авторы в журнале Science Advances, невозможно реализовать при помощи традиционной оптики, и может пригодиться в областях, где необходимо получать информацию из глубины вещества.

Метаматериалы — это объекты со структурой на небольшом масштабе, глобальные свойства которых в первую очередь определяются параметрами строения. В контексте оптики метаматериалы позволяют реализовать новые режимы взаимодействия со светом. В частности, на основе метаповерхностей можно создавать плоские линзы, поляризационные камеры, преломляющие луч на произвольный угол элементы и многие другие приборы, в том числе невозможные с точки зрения традиционной оптики.

В работе коллектива американских ученых под руководством Арки Маюмдара (Arka Majumdar) из Вашингтонского университета демонстрируется возможность управления полем излучения в трех измерениях при помощи метаповерхности. Исследователи создавали металинзу при помощи 3D-печати, а проходящий сквозь нее свет фокусировался в отдельных точках, расположенных вдоль трехмерной спирали.

При проектировании прибора авторы использовали метод разработки в обратном порядке (inverse design), который предполагает подбор оптимальной структуры во всем пространстве параметров.

Разработка в обратном порядке предполагает, что для начала задается конечная цель (в данном случае цепь из восьми дискретных фокальных точек на спиральной линии), а затем под нее с помощью различных алгоритмов создается метаповерхность. При этом получается структура, которая не похожа ни на одну из изученных ранее и, следовательно, ее получение при помощи небольших изменений известных маловероятно, о чем в близком к метаповерхностям контексте нанофотоники хорошо рассказано в следующем видео:

В отличие от более распространенного прямого проектирования этот метод позволяет найти неожиданные решения, до которых иногда невозможно догадаться. Такой способ лишен проблем метода проб и ошибок, но при этом требует обширных вычислений, которые в случае сложной задачи могут сделать его невыгодным.

Для получения оптимальной структуры ученые использовали теорию Ми, которая описывает рассеяние волн на однородных препятствиях сравнимого с длиной волны размера. Такой режим взаимодействия, например, ответственен за формирование цвета витражей при рассеянии на наночастицах металла в стекле, а также за непрозрачность тумана.

Для упрощения расчетов авторы ограничились рассеянием на сферах. Полученные структуры, состоящие из тысяч крошечных сфер размером в единицы микрон, ученые воплотили в два оптических элемента, работающих на разных длинах волн — 1,55 и 3 микрона. В результате получились не совсем сферические препятствия, поэтому заметная доля света не фокусировалась в нужных точках. Тем не менее, все запланированные фокальные точки появились, а точность их расположения оказалась лучше одного микрона.

Потенциал продемонстрированного метода намного шире, так как теория Ми также работает в случае цилиндрических или эллипсоидальных форм рассеивающих частиц. Также ученые рассматривают возможность послойного нанесения нескольких уровней метаповерхностей, создавая еще более сложное взаимодействие со светом. Среди возможных применений авторы указывают методы визуализации информации с определенной глубины образца, что может быть полезно, например, для автономной навигации дронов, а также для исследований биологических тканей.

Ранее физики при помощи металинз сфокусировали свет во всем видимом диапазоне, поделили фотоны на «левых» и «правых», а также собрали свет в плоскую фигуру произвольной формы.