Hava delikleri, silikon plakaları kompakt optikler için düz ultraviyole odaklama aynalarına dönüştürür

Geleneksel mercekler ve aynalar, kavisli yüzeyleri kullanarak ışığı odaklar. Metayüzeyler, ışığın fazını yerel olarak kontrol eden düz bir nano ölçekli yapı katmanıyla benzer işlevlere ulaşabilir. Bu düz optikleri ultraviyole ışına genişletmek, yüksek çözünürlüklü görüntüleme, spektroskopi ve algılama için kompakt sistemleri destekleyebilir, ancak temel bir malzeme sorununu ortaya çıkarır: meta yüzeyleri yapmak için kullanılan malzemelerin çoğu, UV ışığını güçlü bir şekilde emer.

Stuttgart Üniversitesi’ndeki araştırmacılar bu sınırlamayı tersine çeviren alternatif bir yaklaşım geliştirdiler. Emici bir malzemeyi şeffaf hale getirmeye çalışmak yerine, meta yüzeyleri ışığın çoğunu doğrudan silikonun içine kazınmış küçük, hava dolu boşlukların içine hapseder.

Cihaz, 325 nm dalga boyunda yansıyan ultraviyole ışığa odaklanıyor ve uygun şeffaf malzemelerin bulunmasının zor olabileceği dalga boyu aralıklarında ışığın kontrol edilmesine yönelik yeni bir yaklaşım sergiliyor.

Araştırma dergide yayınlandı Gelişmiş Fotonik.

Silikon yerine ışığı havada yakalamak

Birçok geleneksel dielektrik meta yüzey, yüksek kırılma indisine sahip malzemelerden yapılmış küçük sütunlara dayanır. Işık sütunların içinde yoğunlaşıyor ve geometrilerindeki değişiklikler metayüzeyin ortaya çıkan dalga cephesini kontrol etmesine izin veriyor. Silikon, görünür ve daha uzun dalga boylarında bu amaç için iyi çalışır, ancak ultraviyole ışında güçlü bir şekilde emici hale gelir. Bu nedenle silikon rezonatörün içinde hapsedilen ışık, verimli bir şekilde yeniden yönlendirilmek yerine kaybolacaktır.

Mie boşlukları adı verilen yapılar bu kavramı tersine çeviriyor. Araştırmacılar, havayla çevrelenmiş katı sütunlardan rezonatörler oluşturmak yerine, küçük hava boşluklarını dökme silikonun içine kazdılar. Bir boşluğa giren ışık, çevredeki silikon sınırlardan yansır ve ağırlıklı olarak hava boşluğunda yoğunlaşan ve emilimin ihmal edilebilir düzeyde olduğu bir rezonans modu yaratır. Bu, optik alanın emici silikonla örtüşmesini azaltır.

Mantığa aykırı olarak, silikonun ultraviyole dalga boylarındaki güçlü emilimi bu sınırlamaya katkıda bulunabilir. Absorbsiyona eşlik eden karmaşık optik özellikler, hava-silikon arayüzünün yansıtıcılığını artırarak ışığın boşlukta sınırlı kalmasına yardımcı olur. Bu nedenle strateji silikonun UV emilimini ortadan kaldırmaz. Bunun yerine, rezonans alanının çoğunu ondan uzak tutarken emici malzemenin optik özelliklerini kullanır.

Döndürülmüş boşluklar ultraviyole ışığa odaklanır

Bu rezonatörleri odaklama elemanına dönüştürmek için boşluklar yaklaşık 470 nanometre uzunluğunda ve 100 nanometre derinliğinde elips şeklinde şekillendirilmiştir. Dairesel olarak polarize ışık eliptik bir boşluğu aydınlattığında, yansıyan ışık, boşluğun dönüş açısının iki katına eşit olan geometrik faz olarak adlandırılan bir faz elde eder. Bu dönüşü yarım milimetre büyüklüğündeki meta yüzey boyunca değiştirerek, bir odaklama profili doğrudan silikonun içine kodlanır. Standart bir optik mikroskop altında bu düzenleme, renkli halka desenleri olarak görünür ve kodlanmış odaklama tasarımını doğrudan görünür kılar.

325 nanometre UV ışıkla 45 derecelik bir geliş açısıyla aydınlatıldığında, bu metayüzeyler eksen dışı parabolik aynaların düz eşdeğerleri gibi davranarak ışını odaklarken 90 derece yeniden yönlendiriyor. Odak uzunlukları 5 milimetreden 1,25 milimetreye kadar olan meta yüzeyler üretildi ve yaklaşık 1 mikrometre kadar küçük dairesel odak noktaları üretildi. 0,15 sayısal açıklığa kadar noktalar, ışığın dalga doğası tarafından belirlenen temel çözünürlük sınırı olan kırınım sınırına yaklaştı.

Olası dalga cephesi şekillendirmesinin çok yönlülüğü, yörüngesel açısal momentum ışınları olarak adlandırılan, yerleşim planına bir spiral fazın eklenmesiyle daha da gösterilmiştir. Bunlar, ışığın fazını yayılma ekseni etrafında bükmesi olarak anlaşılabilir ve ışının kesitinde halka şeklinde yoğunluk dağılımları sergiler.

Tek adımlı imalat ve daha kısa dalga boyu beklentileri

Konseptin temel avantajı basitliğidir. Meta yüzeyler, yerleşik yarı iletken işlemeyle uyumlu, standart silikon substratlar üzerinde tek bir litografi ve aşındırma adımında üretilir. Toplu alt tabaka mekanik olarak sağlam kalır ve ısıyı etkili bir şekilde dağıtır.

Dahası, mekanizma malzeme emilimini tolere ettiğinden ve hatta bundan faydalandığından, derin ve vakumlu UV spektral aralığına genişletilebilir ve çok sayıda başka malzeme platformuna uygulanabilir. Dahası, birçok biyomolekül karakteristik UV soğurma imzalarına sahip olduğundan, bu tür kompakt UV meta yüzeyleri sonunda entegre algılamada uygulama alanı bulabilir.