Oppervlakken die de voortplanting van licht efficiënt omleiden, zijn ontwikkeld door A*STAR-onderzoekers. Ramón Paniagua-Dominguez, werken met collega's van het A*STAR Data Storage Institute en de Nanyang Technological University, heeft compacte en lichtgewicht optische componenten uitgevonden die kunnen worden geïntegreerd in draagbare opto-elektronische apparaten.

Traditionele optische componenten van glas veranderen de voortplanting van licht door reflectie en breking. Ze zijn meestal driedimensionaal:een lens, bijvoorbeeld, vereist een gebogen oppervlak dat het licht op een punt focust. Maar deze omvangrijke elementen voegen gewicht toe, voor bijvoorbeeld mobiele telefooncamera's.

Een vlakker alternatief wordt gevonden in meta-oppervlakken, die bestaan ​​uit een reeks structuren, elk kleiner dan de golflengte van het licht, ontworpen om de kenmerken van invallend licht te wijzigen. Als een optische straal dit oppervlak raakt, het verstrooit de subgolflengte-elementen, het vormen van een uitgangsbundel met gekozen eigenschappen. Dit kan, bijvoorbeeld, worden gebruikt om de inkomende straal in een nieuwe richting te buigen. Echter, de efficiëntie waarmee het licht in de juiste richting wordt herverdeeld neemt sterk af bij toenemende hoeken, buigend licht onder zeer grote hoeken moeilijk maken.

Paniagua-Domínguez en het team bereiken efficiënte optische channeling onder elke gewenste hoek met behulp van een meta-oppervlak dat bestaat uit een reeks asymmetrische nanoantennes. Net als normale antennes, ze veranderen de richtingspatronen van de verstrooiing door emissie onder verschillende hoeken te onderdrukken of te versterken. "Onze nieuwe aanpak gaat verder dan het standaardontwerp, dat is het gebruik van fasemapping, " legt Paniagua-Domínguez uit. "We voorzien dat deze meta-oppervlakken de traditionele bulkoptica kunnen overtreffen, niet alleen in termen van efficiëntie, maar ook functionaliteit."

De onderzoekers demonstreerden dit concept experimenteel door het ontwerp van hun nanoantenne-array te etsen in een dunne film van titaniumdioxide op een glassubstraat. Eén ontwerp dat ze onderzochten had een structuur die losjes op een vis leek, met een ring rond een hoekpunt van een driehoek. De afmetingen van de vissen waren allemaal kleiner dan 300 nanometer, veel kleiner dan de golflengte van het invallende licht. Met deze nieuwe aanpak waren ze in staat om meer dan 50 procent van de energie van een inkomende straal groen licht te buigen onder een hoek van maximaal 73 graden. Bovendien, en in tegenstelling tot eerdere benaderingen, deze structuur toonde breedbandwerking, het effectief buigen van licht over golflengten in de groene en blauwe delen van het spectrum.

"Op basis van dit concept we werken nu toe naar een platte lens met een extreem groot numeriek diafragma, " zegt Paniagua-Dominguez. "Dat wil zeggen, een lens die het licht op een heel kleine plek kan concentreren of heel kleine objecten of kenmerken kan oplossen."