Учёные нарушили фундаментальное правило света и совершили прорыв в оптике

Схема управления резонансным отражением через направленность излучения в смещённых метарешетках. Новая двухслойная метарешетка выбирает только один угол и одну длину волны при падении света с широким спектром и разными углами. Это достигается с помощью «направленного ластика», который точно подавляет спектральную подпись света вдоль дисперсионной кривой. Авторы: Ze-Peng Zhuang, Xin Zhou и др.

Длина волны и направление распространения (угол) — два фундаментальных свойства света. Возможность избирательно управлять как конкретной длиной волны, так и конкретным углом лежит в основе многих передовых оптических технологий. Однако из-за внутренней дисперсии в периодических системах существует жёсткая связь между углом и длиной волны в резонансном спектре. Это ограничивает независимое управление этими параметрами и создаёт проблемы в оптических приложениях — например, радужные артефакты в AR-волноводах или ухудшение качества изображения из-за хроматических аберраций.

В новой статье, опубликованной в журнале eLight, группа учёных под руководством профессоров Цзянь-Вэнь Дун из Университета Сунь Ятсена и Лей Чжоу из Фуданьского университета обнаружила, что ключом к преодолению этого ограничения является направленность излучения оптических мод. Теоретический анализ позволил им создать полную фазовую диаграмму для управления резонансными спектрами через направленность излучения. Оказалось, что пространственная инверсионная симметрия и высокая направленность излучения оптических мод — это те самые условия, которые позволяют разорвать связь между углом и длиной волны.

«Направленность излучения действует как "волшебный ластик", позволяя нам точно подавлять спектральную подпись света вдоль дисперсионной кривой. Это даёт независимый контроль над углом и длиной волны, преодолевая ограничения внутренней дисперсии», — поясняют авторы.

Для реализации этой идеи учёные предложили использовать двухслойные метарешетки с боковым смещением. Такая конструкция сохраняет пространственную инверсионную симметрию, но нарушает вертикальную зеркальную симметрию, что позволяет точно управлять углом излучения. Теоретически они предсказали, что резонансное отражение будет происходить только при нормальном падении и вблизи центральной длины волны. Также были предложены общие схемы для достижения пространственно-спектральной селективности при произвольных углах и длинах волн.

Экспериментальная реализация оказалась сложной задачей: требовались ультратонкие плоские разделительные слои и точное боковое смещение между слоями. Для этого команда разработала новый метод изготовления, включающий многоэтапное травление, косвенные измерения толщины и итеративные процессы осаждения. В сочетании с высокоточной техникой совмещения слоёв это позволило создать высококачественные двухслойные метарешетки, работающие в ближнем инфракрасном диапазоне.

Эксперименты подтвердили, что высокое отражение действительно происходит только при одном угле и одной длине волны. Для проверки гипотезы о роли направленности излучения учёные провели угловые микроскопические измерения и количественно оценили однонаправленное излучение резонансных мод.

Кроме того, команда впервые создала миллиметровые высокоточные двухслойные метарешетки и добилась контрастного изображения с одновременной пространственной и спектральной селективностью при 0° и 1342 нм. Это открывает новые возможности для компактных оптических систем и оптических вычислений.

«Наше исследование не только предлагает инновационное решение фундаментальной проблемы независимого управления углом и длиной волны, но и даёт новые идеи для технологий AR/VR-дисплеев, спектральной визуализации, когерентного теплового излучения и передового производства полупроводников», — прогнозируют учёные.

Исследование опубликовано в журнале eLight при поддержке Центра публикаций Light (Китайская академия наук).