Door twee filmlagen met een patroon op nanoschaal over elkaar heen te leggen, kan de voortplanting van licht worden gemanipuleerd om een ​​krachtige ultradunne lens te creëren.

Ultradunne nanogestructureerde films die de verspreiding van licht regelen, bieden een manier om optische componenten te integreren in draagbare en draagbare elektronische apparaten. Het draaien van een stapel van dergelijke films biedt een eenvoudige manier om hun gedrag en prestaties te controleren, Uit onderzoek van KAUST blijkt.

Een oppervlak met een patroon van een reeks structuren op nanometerschaal kan de eigenschappen van het licht dat er doorheen gaat veranderen. Elk element in de array gedraagt ​​zich als een kleine antenne die de lokale fase van het licht regelt; dat is de relatieve positie van de lichtgolf in zijn oscillerende cyclus. Deze ultradunne lagen worden metalenses genoemd omdat ze licht kunnen focussen net als een conventionele, zij het veel dikker, glazen lens, terwijl het functioneler is.

"Deze technologie kan het licht pixel voor pixel willekeurig vormen, wat onmogelijk is voor conventionele lenzen vanwege fabricagebeperkingen, ", zegt afgestudeerde student Ronghui Lin. "De metalens-technologie heeft het potentieel om de enorme lensassemblages die worden gebruikt in professionele reflexcamera's te vervangen door een lens zo dun als een ansichtkaart."

Een uitdaging bij de ontwikkeling van multifunctionele metalenses is hun beperkte efficiëntie. Een mogelijke manier om dit te verbeteren is om de metalens te stapelen. Door dit te doen, Lin en zijn begeleider, Xiaohang Li, ontdekte dat een nieuw fenomeen kan worden ingeschakeld wanneer de ene metalens op de andere wordt gelegd.

Het team keek naar een metalens met een oppervlak bedekt met een reeks vinnen of cilinders met een elliptische dwarsdoorsnede. Door de relatieve oriëntatie van deze vinnen te variëren, de lens kan een geometrische fase toevoegen aan binnenkomend circulair gepolariseerd licht. "Beschouw de rotatie van de wijzers van een klok, die elke dag naar dezelfde plaats terugkeren, " legt Lin uit. "De rotatiehoek van deze nanovinnen werkt op een vergelijkbare manier. Wanneer licht door deze structuren gaat, de fase of 'tijd' is veranderd." De mate van verandering hangt af van de rotatie van de nanovin. Dit is een krachtig hulpmiddel om circulair gepolariseerd licht te manipuleren.

Lin en Li gebruikten een wiskundige methode genaamd eindige-verschil tijddomeinsimulaties om lichtvoortplanting te modelleren in een metalens-systeem dat bestaat uit twee gestapelde fase-elementen. Hun resultaten toonden aan dat door de relatieve uitlijning van de twee lagen te verdraaien, een fenomeen vergelijkbaar met het Moiré-effect kan worden waargenomen (zie onderstaande afbeelding). Het team gebruikte dit fenomeen om een ​​bifocale metalens te ontwikkelen met een regelbare brandpuntsafstand en intensiteitsverhouding. "Wij geloven dat deze meerlaagse metalens-architectuur ook van toepassing kan zijn op andere systemen en meer gecompliceerde functionaliteiten kan bereiken, " zegt Lin.