Команда под руководством ученых из Университета Вашингтона разработала и протестировала 3D-печатных метаматериала, который может манипулировать светом с наноразмерной точностью. Как они сообщают в статье, опубликованной октября. 4 в журнале Science авансы, их разработанный оптический элемент фокусирует свет на дискретных точек в 3D спиральный узор.
Принципы проектирования команды и экспериментальные результаты показывают, что можно построить модели и приборы метаматериала, который может точно управлять оптических полей с высоким пространственным разрешением в трех измерениях. Хотя команда выбрала спиральный узор, спираль, спираль-для их оптического элемента для фокусировки света, их подход может быть использован для проектирования оптических элементов, контролировать и фокусировать свет на другие модели.
Приборы с такой точностью контролировать свет может быть использован не только в миниатюризации современных оптических элементов, таких как линзы и светоотражатели, а также для реализации новых сортов. Кроме того, проектирование оптических полей в трех измерениях может разрешить создание ультра-компактные датчики глубины для автономного транспорта, а также оптические элементы для дисплеев и сенсоров в виртуальной или дополненной реальности.
«На это сообщили, что устройство действительно не имеет классического аналога в рефракционной оптики — оптика, с которыми мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни,» сказал соответствуя автор арка Маджумдар, в ию доцент электрической и компьютерной инженерии и физики, и преподаватель в университете Институт нано-инженерных систем и Института молекулярной и технические науки. «Никто не сделал подобного устройства раньше с этим набор возможностей».
Команда, которая включает исследователей в научно-исследовательской лаборатории ВВС и университет научно-исследовательский институт Дейтон, взял малоиспользуемых подход в оптической области метаматериалов в конструкции оптического элемента: обратная конструкция. С помощью обратной разработки, они начали с Тип оптического поля профиля они хотели создать-восемь сосредоточены точки света в спиральную структуру-и разработали метаматериал поверхность, что бы создать эту схему.
«Мы не всегда интуитивно знаю, что соответствующие структуры оптического элемента заданы определенные функции», — сказал Маджумдар. «Это где обратная конструкция поставляется в: вы дайте алгоритм проектирования оптики.»
Хотя этот подход кажется простым и позволяет избежать недостатков проб и ошибок методов проектирования, обратная конструкция не является широко использован для оптически активных большой площади метаматериалов, потому что он требует большого числа моделей, делая обратное проектирование интенсивных вычислений.
Здесь, команда избежать этой проблемы, благодаря проницательности Алан Чжан, ведущий автор на бумаге, который совсем недавно окончил Ию с докторскую степень в области физики. Жан понимал, что команда может использовать теорию рассеяния ми в конструкции оптического элемента. Рассеяния Ми описывает, как световые волны определенной длины волны рассеиваются сфер или цилиндров, которые по размерам похожи на оптической длине волны. Теория рассеяния Ми объясняет, как металлические наночастицы в витраж может дать определенные церковные окна своими яркими цветами, и как другие витражи артефакты меняют цвет в разных длинах волн света, по словам Жан.
«Наша реализация теории рассеяния Ми является специфическим для определенной формы — сферы — что означало, что нам приходилось включать эти формы в конструкции оптического элемента», — сказал Жан. «Но, опираясь на теории рассеяния Ми значительно упростило процесс проектирования и моделирования, потому что мы могли бы сделать очень конкретные, очень точные расчеты о свойствах света, когда он взаимодействует с оптическим элементом».
Их подход может быть использован для включения различных геометрических форм, таких как цилиндры и эллипсоиды.
Оптический элемент команды, предназначенные по существу, поверхность покрыта тысячами крошечных сфер разных размеров, расположенных в периодической квадратной решетки. Используя сферах упрощенный дизайн, и команда использовала имеющийся в продаже 3D-принтер для изготовления двух опытных образцов оптических элементов-большие из этих двух с сторон 0.02 см-в Вашингтоне наноматериалов на кампуса. Оптические элементы 3D-печати из ультрафиолетового эпоксидное покрытие на стеклянных поверхностях. Один элемент был разработан, чтобы сосредоточить свет на 1550 нм, другой в 3000 нанометров.
Исследователи визуализировали оптических элементов под микроскопом, чтобы увидеть, насколько хорошо они выполняются как задумано — фокусировать свет либо 1,550 или 3000 нанометров на восемь точек по 3D спиральный узор. Под микроскопом, в большинстве сосредоточены точки света были на позициях предсказывали теоретические модели команды. Например, для отметки 1550-нанометровые устройства длина волны, шесть из восьми координаторов были в прогнозируемой позиции. Остальные два показали лишь незначительные отклонения.
Благодаря высокой производительности своих прототипов, команда хотела бы совершенствовать процесс дизайна, чтобы снизить уровень фонового света и повышения точности размещения контактных центров, и использовать другие элементы конструкции совместимы с теорией рассеяния Ми.
«Теперь, когда мы показали основные принципы проектной работы, есть много направлений, мы можем пойти с таким уровнем точности в изготовлении», — сказал Маджумдар.
Одним из перспективных направлений является прогресс за один-поверхность для создания истинно-объем, 3D метаматериала.
«3D-печать позволяет создать стек из этих поверхностей, что не было возможно раньше», — сказал Маджумдар.
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!