Găuri de aer în plachetele de siliciu transformă siliciul într-o oglindă plană care focalizează lumina ultravioletă
Cercetătorii de la Universitatea din Stuttgart au dezvoltat o metasuprafață plană din siliciu care reflectă și focalizează lumina ultravioletă la o lungime de undă de 325 de nanometri. Rezultatele, publicate în revista Advanced Photonics, arată o abordare nouă pentru controlul luminii în domenii spectrale unde materialele transparente adecvate sunt greu de găsit.
Lentilele și oglinzile tradiționale focalizează lumina prin intermediul unor suprafețe curbate. Metasuprafețele pot realiza funcții similare cu un strat plan de structuri nanometrice care controlează local faza luminii. Extinderea acestor optici plane în ultraviolet ar putea susține sisteme compacte pentru imagistică de înaltă rezoluție, spectroscopie și senzori, dar introduce o problemă fundamentală de materiale: multe dintre materialele folosite pentru metasuprafețe absorb puternic lumina ultravioletă.
Lumina este captată în aer, nu în siliciu
Multe metasuprafețe dielectrice convenționale se bazează pe piloni minusculi din materiale cu indice de refracție ridicat. Lumina se concentrează în interiorul pilonilor, iar variațiile geometriei acestora permit metasuprafeței să controleze frontul de undă emergent. Siliciul funcționează bine în acest scop la lungimi de undă din vizibil și mai mari, dar devine puternic absorbant în ultraviolet. Lumina confinată într-un rezonator de siliciu s-ar pierde astfel în loc să fie redirecționată eficient.
Structurile numite goluri Mie inversează acest concept. În loc să formeze rezonatori din piloni solizi înconjurați de aer, cercetătorii au gravat mici cavități de aer în siliciu masiv. Lumina care intră într-o cavitate se reflectă pe granițele siliciului din jur, creând un mod rezonant concentrat predominant în cavitatea de aer, unde absorbția este neglijabilă. Astfel se reduce suprapunerea câmpului optic cu siliciul absorbant.
În mod contraintuitiv, absorbția puternică a siliciului în ultraviolet poate contribui la această confinare. Proprietățile optice complexe care însoțesc absorbția cresc reflectivitatea interfeței aer-siliciu, ajutând lumina să rămână confinată în cavitate. Strategia nu elimină absorbția ultravioletă a siliciului, ci folosește proprietățile optice ale materialului absorbant, menținând în același timp o mare parte a câmpului rezonant departe de el.
Cavități rotite focalizează lumina ultravioletă
Pentru a transforma acești rezonatori într-un element de focalizare, cavitățile au fost modelate ca elipse de aproximativ 470 de nanometri lungime și 100 de nanometri adâncime. Când lumina polarizată circular iluminează o cavitate eliptică, lumina reflectată dobândește o așa-numită fază geometrică egală cu dublul unghiului de rotație al cavității. Variind această rotație pe întreaga metasuprafață, de dimensiunea a jumătate de milimetru, un profil de focalizare este codificat direct în siliciu. La microscopul optic standard, acest aranjament apare ca modele inelare colorate, făcând designul de focalizare codificat direct vizibil.
Iluminate la un unghi de incidență de 45 de grade cu lumină ultravioletă de 325 de nanometri, aceste metasuprafețe acționează ca echivalente plane ale oglinzilor parabolice off-axis, redirecționând fasciculul cu 90 de grade și focalizându-l. Au fost fabricate metasuprafețe cu distanțe focale de la 5 milimetri până la 1,25 milimetri, care au produs pete focale circulare de până la aproximativ 1 micrometru. Până la o deschidere numerică de 0,15, petele s-au apropiat de limita de difracție, limita fundamentală de rezoluție impusă de natura ondulatorie a luminii.
Versatilitatea modelării posibile a frontului de undă este demonstrată suplimentar prin adăugarea unei faze spiralate în configurație, generând așa-numite fascicule cu moment unghiular orbital. Acestea pot fi înțelese ca lumină care își răsucește faza în jurul axei de propagare și prezintă distribuții de intensitate în formă de gogoașă în secțiunea transversală a fasciculului.
Fabricare într-un singur pas și perspective pentru lungimi de undă mai scurte
Avantajul principal al conceptului este simplitatea sa. Metasuprafețele sunt fabricate printr-un singur pas de litografie și gravare pe substraturi standard de siliciu, compatibil cu procesarea semiconductorilor consacrată. Substratul masiv rămâne robust din punct de vedere mecanic și disipă eficient căldura. Mai mult, deoarece mecanismul tolerează și chiar beneficiază de absorbția materialului, el poate fi extins în domeniul ultraviolet profund și de vid și poate fi aplicat pe o multitudine de alte platforme de materiale.
De asemenea, deoarece multe biomolecule au semnături caracteristice de absorbție în ultraviolet, astfel de metasuprafețe ultraviolete compacte ar putea găsi în cele din urmă aplicații în senzoristica integrată.
