Zoals iedereen die onlangs een augmented reality-headset heeft uitgeprobeerd weet, is de technologie nog niet klaar om deel uit te maken van ons dagelijks leven. Onderzoekers hebben gewerkt aan het perfectioneren van hoogwaardige augmented reality (AR)-brillen, maar er zijn een aantal uitdagingen. Een groot probleem met conventionele AR-brillen is dat er een compromis is in kwaliteit en helderheid tussen de externe scène die je daadwerkelijk ziet en de contextuele informatie die je ook wilt visualiseren.

Vroege oplossingen zoals Google Glass gebruikten meerdere omvangrijke optische componenten die gedeeltelijk reflecterend en gedeeltelijk doorlatend waren om de echte en contextuele scènes te mengen, met als resultaat een gedimd en vervormd zicht op beide scènes.

Meer recente AR-brillen met hoofdmontage zijn voorzien van een patroon met diffractieve roosters (fijne groeven) met afstanden ter grootte van een golflengte die contextuele informatie van een miniprojector naast de bril afbuigen naar het oog van de kijker. Maar deze bril verduistert en vervormt het externe tafereel nog steeds, omdat echt licht dat door het glas gaat onvermijdelijk wordt verstrooid en verspreid door de roosters. De vervormingen worden erger wanneer meerdere sets overlappende roosters moeten worden gebruikt om meerdere verschillende kleuren van de miniprojector te verwerken.

AR-brillen die de externe omgeving en contextuele informatie voor het menselijk oog perfect combineren, zouden voor veel toepassingen zeer nuttig zijn. Als head-updisplay kan de technologie navigatie-instructies geven aan iemand die een auto bestuurt of gegevens van sensoren doorgeven aan de piloot die een vliegtuig bestuurt zonder dat ze weg hoeven te kijken van hun voorruit. Als een op het hoofd gemonteerd display zou de technologie chirurgen en soldaten in staat kunnen stellen om informatie met betrekking tot hun taken met ongekend gemak en efficiëntie te bekijken.

Het glas moet niet alleen zeer transparant zijn over bijna het gehele zichtbare spectrum, zodat een onverzwakt en onvervormd zicht op de buitenwereld mogelijk is, maar het moet ook functioneren als een zeer efficiënte lens die het licht van een miniprojector in het menselijk oog richt om een ​​visueel context bij de externe real-world scene.

Onderzoek toont een nieuw soort golflengte-selectief, golffrontvormend glas aan

Onderzoekers van Columbia Engineering melden dat ze nu precies dit soort glas hebben uitgevonden. Onder leiding van Nanfang Yu, universitair hoofddocent toegepaste natuurkunde en toegepaste wiskunde, heeft het team een ​​plat optisch apparaat gemaakt dat slechts een paar geselecteerde smalbandige kleuren licht focust, terwijl het transparant blijft voor niet-geselecteerd licht over het overgrote deel van het spectrum. De paper is op 8 augustus 2022 online gepubliceerd door Light:Science &Applications .

"We hebben een heel cool, plat optisch apparaat gebouwd dat volledig transparant lijkt - zoals een eenvoudig stuk glas - totdat je er een lichtstraal met de juiste golflengte op laat schijnen, wanneer het apparaat plotseling in een lens verandert," zei Yu, een leider in nanofotonica-onderzoek. "Voor mij is dit optische magie."

Meta-oppervlakken

Yu's groep ontwikkelt platte optische apparaten op basis van meta-oppervlakken - ultradunne optische componenten - om de voortplanting van licht in de vrije ruimte en in optische golfgeleiders te regelen. Metasurfaces zijn gemaakt van tweedimensionale (2D) arrays van designerverstrooiers, "optische antennes" genoemd - een kleine versie van radioantennes met afmetingen op nanometerschaal.

Het belangrijkste kenmerk van meta-oppervlakken is dat de optische verstrooiers optisch allemaal verschillend zijn. Het licht dat ze verstrooien kan verschillende amplitude, fase of polarisatie hebben, zodat meta-oppervlakken een ruimtelijk variërende optische respons kunnen introduceren die licht op extreem flexibele manieren kan regelen. Hierdoor maken metasurfaces het mogelijk om functionaliteiten te realiseren waarvoor conventioneel 3D optische componenten of apparaten met een veel grotere footprint nodig zijn, zoals het scherpstellen of sturen van lichtbundels, of het schakelen van optische signalen op geïntegreerde fotonische chips.

Niet-lokale meta-oppervlakken

Yu's team vond een "niet-lokaal meta-oppervlak" uit dat lichtgolven op verschillende manieren kan manipuleren op verschillende gerichte golflengten, terwijl licht op ongerichte golflengten onaangetast blijft. De nieuwe apparaten oefenen zowel ruimtelijke als spectrale controle uit over licht door een kleur (spectraal) te selecteren en deze (ruimtelijk) niet alleen op een enkele golflengte te focussen, maar ook onafhankelijk op meerdere verschillende golflengten.

Een gedemonstreerd apparaat functioneert bijvoorbeeld zowel als een convergerende lens die licht op één kleur focust, als als een concave lens die licht verspreidt in een tweede kleur, terwijl het transparant blijft, zoals een glasplaat zonder patroon, wanneer verlicht met licht bij kleuren boven de rest van het spectrum.

De symmetrie doorbreken om licht uit te stralen en het golffront vorm te geven

Deze nieuwe apparaten zijn ontstaan ​​uit theoretische verkenningen door Adam Overvig, een voormalig Ph.D. student in Yu's groep en co-auteur van de studie, naar het manipuleren van symmetrie in fotonische kristal (PhC) platen, zoals een 2D periodieke structuur die een vierkante reeks vierkante gaten is gedefinieerd in een dunne film van silicium. Van PhC-platen is bekend dat ze een reeks modi ondersteunen, waarvan de frequenties of kleuren worden bepaald door de geometrie van de plaat (bijvoorbeeld de periodiciteit van de array en de grootte van de gaten).

De modi zijn in wezen een lichtlaag die zich ruimtelijk (niet-lokaal) langs de plaat uitstrekt, maar verder beperkt is in de richting loodrecht op de plaat.

Het introduceren van een symmetrie-brekende verstoring in een anders structureel repetitieve PhC-plaat, zoals simpelweg door vierkante gaten van de PhC te vervormen tot rechthoekige, verlaagt de mate van symmetrie van de PhC, zodat de modi niet langer beperkt zijn tot de plaat:ze kunnen opgewonden raken door een lichtstraal vanuit de vrije ruimte met de juiste kleur te laten schijnen en ook terug kan stralen in de vrije ruimte.

Veelbetekenend is dat de onderzoekers, in plaats van een uniforme verstoring over de hele PhC-plaat toe te passen, de verstoring ruimtelijk varieerden, waarbij de rechthoekige gaten langs verschillende richtingen over het apparaat werden georiënteerd. Op deze manier zou de oppervlakte-emissie van het apparaat een gevormd golffront kunnen hebben in verhouding tot het patroon van de oriëntatiehoeken van de rechthoeken.

De eerste die lenzen maakte die licht van precies de gewenste kleur focussen

"Dit is de eerste keer dat iemand experimenteel golflengte-selectieve, golffrontvormende optische apparaten heeft gedemonstreerd met behulp van een benadering die is gebaseerd op symmetrie-brekende verstoringen", legt Stephanie Malek uit, een doctoraalstudent in de groep van Yu en hoofdauteur van de studie .

"Door zorgvuldig de initiële PhC-geometrie te kiezen, kunnen we golflengteselectiviteit bereiken, en door de oriëntaties van de verstoring die op de PhC wordt toegepast aan te passen, kunnen we het golffront van de geselecteerde lichtkleur vormgeven. Dit betekent dat we lenzen kunnen maken die licht focussen van alleen de geselecteerde kleur."

Het meest multifunctionele en veelkleurige meta-oppervlak tot nu toe

Het team demonstreerde een multifunctioneel apparaat dat de optische golffronten onafhankelijk vormt bij vier verschillende golflengten, maar fungeert als een transparant substraat bij andere niet-geselecteerde golflengten.

Dit maakt het tot het meest multifunctionele en veelkleurige meta-oppervlak dat tot nu toe is gedemonstreerd, en suggereert ook dat in de toekomst full-color AR-displays kunnen worden gemaakt door een paar kleuren virtuele informatie onafhankelijk te besturen.

AR-applicaties

Deze nieuwe golflengte-selectieve, golffrontvormende "niet-lokale" meta-oppervlakken bieden een veelbelovende oplossing voor AR-technologieën, waaronder head-updisplays op de voorruit van auto's. De optische doorkijklens kan contextuele informatie voor het oog van de kijker reflecteren op geselecteerde smalbandige golflengten van de miniprojector, terwijl het ook een onbelemmerd, ongedimd breedbandbeeld van de echte wereld mogelijk maakt.

En omdat de golflengte-selectieve metasurface-lenzen dunner zijn dan een mensenhaar, zijn ze zeer geschikt voor het ontwikkelen van AR-brillen die eruitzien en aanvoelen als een comfortabele en modieuze bril.

Kwantumoptiek

Yu's vlakke meta-oppervlakken kunnen ook worden gebruikt om de complexiteit van kwantumoptica-opstellingen die ultrakoude atomen manipuleren aanzienlijk te verminderen. Omdat meerdere laserstralen met verschillende golflengten onafhankelijk moeten worden geregeld voor het koelen, vangen en bewaken van koude atomen, kunnen deze opstellingen enorm worden.

Deze complexiteit heeft het voor onderzoekers moeilijk gemaakt om koude atomen op grote schaal toe te passen voor gebruik in atoomklokken, kwantumsimulaties en berekeningen. In plaats van meerdere poorten rond de vacuümkamer te bouwen voor de koude atomen, elk met hun unieke bundelvormende optische componenten, kan een enkel meta-oppervlakapparaat worden gebruikt om tegelijkertijd de meerdere laserstralen die in het experiment worden gebruikt, vorm te geven.

Wat nu:demonstreren van het concept in zichtbaar spectrumbereik

De apparaten in deze studie besturen gelijktijdig en onafhankelijk de golffronten van verschillende nabij-infraroodstralen met behulp van nanogestructureerde dunne siliciumfilms. Het team is van plan om het concept vervolgens in het zichtbare spectrale bereik te demonstreren, om de golffronten van drie smalbandige zichtbare laserstralen volledig te beheersen met behulp van een apparaatplatform met een laag absorptieverlies in het zichtbare, zoals dunnefilm siliciumnitride en titaniumdioxide.

Ze onderzoeken ook de schaalbaarheid van het golflengte-selectieve metasurface-platform door meer dan twee verstoringen in een enkel metasurface op te nemen en door meer dan twee metasurfaces in een samengesteld apparaat te stapelen. + Verder verkennen

Metasurface ontworpen om drie verschillende afbeeldingen te maken, afhankelijk van de verlichting