Metasurfaces zijn structuren op nanoschaal die interageren met licht. Vandaag, de meeste meta-oppervlakken gebruiken monolietachtige nanopilaren om te focussen, vorm- en controlelicht. Hoe hoger de nanopijler, hoe meer tijd het licht nodig heeft om door de nanostructuur te gaan, waardoor het meta-oppervlak meer veelzijdige controle heeft over elke lichtkleur. Maar zeer hoge pilaren hebben de neiging om te vallen of aan elkaar te kleven. Wat als, in plaats van hoge constructies te bouwen, ben je de andere kant op gegaan?

In een recente krant, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ontwikkelden een meta-oppervlak dat gebruikmaakt van zeer diepe, zeer smalle gaten, in plaats van zeer hoge pilaren, om het licht op één plek te concentreren.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nano-letters .

Het nieuwe meta-oppervlak maakt gebruik van meer dan 12 miljoen naaldachtige gaten die zijn geboord in een siliciummembraan van 5 micrometer, ongeveer 1/20 van de dikte van het haar. De diameter van deze lange, dunne gaatjes is slechts een paar honderd nanometer, waardoor de beeldverhouding (de verhouding tussen hoogte en breedte) bijna 30:1 is.

Het is de eerste keer dat gaten met zo'n hoge aspectverhouding zijn gebruikt in meta-optica.

"Deze benadering kan worden gebruikt om grote achromatische metalenses te creëren die verschillende kleuren licht op hetzelfde brandpunt concentreren, de weg vrijmaakt voor een generatie platte optica met een hoge beeldverhouding, inclusief breedband achromatische metalenses met groot oppervlak, " zei Federico Capasso, de Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering bij SEAS en senior auteur van het artikel.

"Als je pilaren probeerde te maken met deze beeldverhouding, ze zouden omvallen, " zei Daniël Lim, een afgestudeerde student aan SEAS en co-eerste auteur van het papier. "Het gatenplatform verhoogt de toegankelijke beeldverhouding van optische nanostructuren zonder in te boeten aan mechanische robuustheid."

Net als bij nanopilaren, die in grootte variëren om het licht te focussen, de holey metalens heeft gaten van verschillende grootte die precies over de lensdiameter van 2 mm zijn gepositioneerd. De variatie van de gatgrootte buigt het licht naar de lensfocus.

"Holey-meta-oppervlakken voegen een nieuwe dimensie toe aan lensontwerp door de opsluiting en verspreiding van licht over een brede parameterruimte te regelen en nieuwe functionaliteiten mogelijk te maken, " zei Maryna Meretska, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en co-eerste auteur van het artikel. "Gaten kunnen worden opgevuld met niet-lineaire optische materialen, wat zal leiden tot het genereren en manipuleren van licht met meerdere golflengten, of met vloeibare kristallen om de eigenschappen van licht actief te moduleren."

De metalenses werden vervaardigd met behulp van conventionele processen in de halfgeleiderindustrie en standaardmaterialen, waardoor het in de toekomst op grote schaal kan worden geproduceerd.

Het Harvard Office of Technology Development heeft het intellectuele eigendom met betrekking tot dit project beschermd en onderzoekt de mogelijkheden voor commercialisering.