Повітряні отвори перетворюють кремнієві пластини на плоскі дзеркала для ультрафіолету
Дослідники зі Штутгартського університету створили плоску метаповерхню, яка фокусує ультрафіолетове світло за допомогою крихітних повітряних порожнин у кремнії.
Дослідники зі Штутгартського університету розробили плоску метаповерхню, здатну фокусувати відбите ультрафіолетове світло з довжиною хвилі 325 нанометрів. Замість боротися з тим, що кремній сильно поглинає ультрафіолет, дослідники використали це: витравили в пластині крихітні повітряні порожнини, повідомляє Phys.org. Саме в цих порожнинах і концентрується більша частина світла, оминаючи втрати в матеріалі.
Пристрій належить до класу так званих метаповерхонь, плоских шарів із наноструктурами, які керують фазою світла. Традиційні метаповерхні часто використовують крихітні стовпчики з матеріалів із високим показником заломлення, де світло концентрується всередині. В ультрафіолеті кремній для цього не годиться, бо поглинає більшу частину випромінювання. Штутгартські інженери пішли іншим шляхом і створили структури, названі порожнинами Мі. Це еліптичні отвори завдовжки близько 470 нанометрів і завглибшки 100 нанометрів, витравлені прямо в кремнії.
Світло, потрапляючи в таку порожнину, багаторазово відбивається від її стінок, і резонансна мода формується переважно в повітрі, де поглинання мізерне. Сильне поглинання кремнію в ультрафіолеті навіть допомагає: воно підвищує відбивну здатність межі повітря-кремній і краще утримує світло всередині порожнини. Щоб перетворити набір таких резонаторів на фокусувальний елемент, отвори роблять еліптичними. Коли на них падає циркулярно поляризоване світло, відбитий промінь отримує геометричну фазу, яка вдвічі перевищує кут повороту еліпса. Змінюючи цей кут у різних точках метаповерхні розміром у пів міліметра, дослідники закодували потрібний профіль фокусування.
Коли на метаповерхню спрямовують ультрафіолет із довжиною хвилі 325 нм під кутом 45 градусів, вона працює як плоский аналог позаосьового параболічного дзеркала. Вони відхиляють промінь на 90 градусів і водночас фокусують його. Дослідники виготовили зразки з фокусними відстанями від 5 до 1,25 міліметра й отримали круглі фокальні плями діаметром близько 1 мікрометра. За числової апертури до 0,15 розмір плям наближався до дифракційної межі, фундаментального обмеження, зумовленого хвильовою природою світла. Крім фокусування, метод дає змогу формувати й складніші хвильові фронти, наприклад додавати спіральну фазу для створення променів з орбітальним кутовим моментом.
Головна перевага підходу в технологічній простоті. Метаповерхню виготовляють за один цикл літографії та травлення на стандартних кремнієвих підкладках, що сумісне з поширеними напівпровідниковими процесами. Оскільки метод не вимагає прозорих матеріалів і навіть виграє від поглинання, його можна поширити на глибокий і вакуумний ультрафіолет. Такі компактні ультрафіолетові метаповерхні можуть знайти застосування в інтегрованих сенсорах, адже багато біомолекул мають характерні спектри поглинання саме в цьому діапазоні. Результати роботи опублікували в журналі Advanced Photonics.
Джерела
- Phys.org: Air holes turn silicon wafers into flat ultraviolet focusing mirrors for compact optics
Фото: WikimediaImages, Pixabay (Pixabay Content License)