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 измерения 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 видео, приведенном выше в этой статье.
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.
Положения фокусов в модели (нечетные ряды) и экспериментальном образце (четные ряды). Изображения показывают срезы на различной высоте над поверхностью металинзы. A. Zhan et al. / Science Advances, 2019
