De fotonica-onderzoekers van Rice University hebben een potentieel ontwrichtende technologie ontwikkeld voor de markt voor ultraviolette optica.

Door honderden minuscule driehoekjes op het oppervlak van een microscopische film van zinkoxide te etsen, creëerden nanofotonica-pionier Naomi Halas en collega's een "metalen" die binnenkomende langegolf-UV (UV-A) omzet in een gerichte uitvoer van vacuüm-UV (VUV). ) straling. VUV wordt gebruikt in de productie van halfgeleiders, fotochemie en materiaalwetenschap en was in het verleden duur om mee te werken, deels omdat het wordt geabsorbeerd door bijna alle soorten glas die worden gebruikt om conventionele lenzen te maken.

"Dit werk is bijzonder veelbelovend in het licht van recente demonstraties dat chipfabrikanten de productie van meta-oppervlakken kunnen opschalen met CMOS-compatibele processen", zegt Halas, co-corresponderende auteur van een metalens-demonstratiestudie gepubliceerd in Science Advances . "Dit is een fundamentele studie, maar het wijst duidelijk op een nieuwe strategie voor high-throughput fabricage van compacte VUV optische componenten en apparaten."

Het team van Halas toonde aan dat zijn microscopische metalens 394 nanometer UV kunnen omzetten in een gerichte output van 197 nanometer VUV. De schijfvormige metalens is een transparant vel zinkoxide dat dunner is dan een vel papier en slechts 45 miljoenste van een meter in diameter. Tijdens de demonstratie scheen een UV-A-laser van 394 nanometer op de achterkant van de schijf, en onderzoekers maten het licht dat van de andere kant kwam.

Studie co-eerste auteur Catherine Arndt, een afgestudeerde student toegepaste natuurkunde in de onderzoeksgroep van Halas, zei dat het belangrijkste kenmerk van de metalens de interface is, een vooroppervlak dat is bezaaid met concentrische cirkels van kleine driehoekjes.

"De interface is waar alle natuurkunde plaatsvindt", zei ze. "We geven eigenlijk een faseverschuiving door, waarbij zowel de snelheid van het licht als de richting waarin het beweegt verandert. We hoeven de lichtopbrengst niet te verzamelen omdat we elektrodynamica gebruiken om het om te leiden naar de interface waar we het genereren."

Violet licht heeft de laagste golflengte die voor mensen zichtbaar is. Ultraviolet heeft nog lagere golflengten, die variëren van 400 nanometer tot 10 nanometer. Vacuüm UV, met golflengten tussen 100-200 nanometer, wordt zo genoemd omdat het sterk wordt geabsorbeerd door zuurstof. Het gebruik van VUV-licht vereist tegenwoordig meestal een vacuümkamer of een andere gespecialiseerde omgeving, evenals machines om VUV te genereren en scherp te stellen.

"Conventionele materialen genereren meestal geen VUV", zei Arndt. "Het wordt tegenwoordig gemaakt met niet-lineaire kristallen, die omvangrijk, duur en vaak exportgecontroleerd zijn. Het resultaat is dat VUV vrij duur is."

In eerder werk hebben Halas, Rijstfysicus Peter Nordlander, voormalig Rice Ph.D. student Michael Semmlinger en anderen toonden aan dat ze 394 nanometer UV kunnen transformeren in 197 nanometer VUV met een zinkoxide meta-oppervlak. Net als de metalens was het meta-oppervlak een transparante film van zinkoxide met een patroonoppervlak. Maar het vereiste patroon was niet zo ingewikkeld omdat het de lichtopbrengst niet hoefde te focussen, zei Arndt.

"Metalenses profiteren van het feit dat de eigenschappen van licht veranderen wanneer het een oppervlak raakt," zei ze. "Licht reist bijvoorbeeld sneller door lucht dan door water. Daarom krijg je reflecties op het oppervlak van een vijver. Het oppervlak van het water is het grensvlak en wanneer zonlicht het grensvlak raakt, weerkaatst een beetje ervan. "

Het eerdere werk toonde aan dat een meta-oppervlak VUV kan produceren door langegolf UV op te zetten via een frequentieverdubbelingsproces dat tweede-harmonische generatie wordt genoemd. Maar VUV is kostbaar, deels omdat het duur is om te manipuleren nadat het is geproduceerd. In de handel verkrijgbare systemen daarvoor kunnen kasten zo groot als koelkasten of compacte auto's vullen en tienduizenden dollars kosten, zei ze.

"Voor een metalens probeer je zowel het licht te genereren als te manipuleren," zei Arndt. "In het zichtbare golflengteregime is metalens-technologie zeer efficiënt geworden. Virtual reality-headsets maken daar gebruik van. Metalenses zijn de afgelopen jaren ook aangetoond voor zichtbare en infrarode golflengten, maar op kortere golflengten had niemand het gedaan. En veel materialen absorberen VUV. Dus voor ons was het gewoon een algemene uitdaging om te zien:'Kunnen we dit?'"

Om de metalens te maken, werkte Arndt samen met co-corresponderende auteur Din Ping Tsai van City University of Hong Kong, die hielp bij het produceren van het ingewikkelde metalens-oppervlak, en met drie co-eerste auteurs:Semmlinger, die in 2020 afstudeerde aan Rice, Ming Zhang, die in 2021 afstudeerde aan Rice, en Ming Lun Tseng, een assistent-professor aan de Taiwanese National Yang Ming Chiao Tung University.

Tests bij Rice toonden aan dat de metalens zijn output van 197 nanometer kon concentreren op een plek met een diameter van 1,7 micron, waardoor de vermogensdichtheid van de lichtoutput met 21 keer werd verhoogd.

Arndt zei dat het te vroeg is om te zeggen of de technologie kan concurreren met de modernste VUV-systemen.

"Het is echt fundamenteel in dit stadium," zei ze. "Maar het heeft veel potentie. Het kan veel efficiënter worden gemaakt. Bij deze eerste studie was de vraag:'Werkt het?' In de volgende fase vragen we ons af:'Hoeveel beter kunnen we het maken?'" + Verder verkennen

Recordbrekende metalens kan een revolutie teweegbrengen in optische technologieën