Un equipo dirigido por científicos de la Universidad de Washington ha diseñado y probado un metamaterial impreso en 3D que puede manipular la luz con precisión a nanoescala. Como informan en un artículo publicado el 4 de octubre en la revista Avances científicos , su elemento óptico diseñado enfoca la luz en puntos discretos en un patrón helicoidal 3D.
Los principios de diseño y los resultados experimentales del equipo demuestran que es posible modelar y construir dispositivos metamateriales que pueden manipular con precisión campos ópticos con alta resolución espacial en tres dimensiones. Aunque el equipo eligió un patrón helicoidal, una hélice espiral, para suelemento óptico para enfocar la luz, su enfoque podría usarse para diseñar elementos ópticos que controlen y enfoquen la luz en otros patrones.
Los dispositivos con este nivel de control de precisión sobre la luz podrían usarse no solo para miniaturizar los elementos ópticos actuales, como lentes o retroreflectores, sino también para obtener nuevas variedades. Además, diseñar campos ópticos en tres dimensiones podría permitir la creación de ultra-sensores de profundidad compactos para transporte autónomo, así como elementos ópticos para pantallas y sensores en auriculares de realidad virtual o aumentada.
"Este dispositivo reportado realmente no tiene un análogo clásico en óptica refractiva, la óptica que encontramos en nuestra vida cotidiana", dijo el autor correspondiente Arka Majumdar, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática y física de la UW, ymiembro de la facultad en el Instituto de Sistemas de Nanoingeniería de la UW y el Instituto de Ciencias Moleculares e Ingeniería "Nadie realmente ha hecho un dispositivo como este antes con este conjunto de capacidades".
El equipo, que incluye investigadores del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea y el Instituto de Investigación de la Universidad de Dayton, adoptó un enfoque menos utilizado en el campo de los metamateriales ópticos para diseñar el elemento óptico: diseño inverso. Utilizando el diseño inverso, comenzaron con eltipo de perfil de campo óptico que querían generar ocho puntos de luz enfocados en un patrón helicoidal y diseñaron una superficie metamaterial que crearía ese patrón.
"No siempre conocemos intuitivamente la estructura apropiada de un elemento óptico dada una funcionalidad específica", dijo Majumdar. "Aquí es donde entra el diseño inverso: permite que el algoritmo diseñe la óptica".
Si bien este enfoque parece sencillo y evita los inconvenientes de los métodos de diseño de prueba y error, el diseño inverso no se usa ampliamente para metamateriales de área grande ópticamente activos porque requiere una gran cantidad de simulaciones, lo que hace que el diseño inverso sea computacionalmente intensivo.
Aquí, el equipo evitó esta trampa gracias a una idea de Alan Zhan, autor principal del artículo, quien recientemente se graduó de la UW con un doctorado en física. Zhan se dio cuenta de que el equipo podía usar la teoría de dispersión de Mie para diseñar el elemento ópticoLa dispersión de Mie describe cómo las ondas de luz de una longitud de onda particular son dispersadas por esferas o cilindros que son similares en tamaño a la longitud de onda óptica.Los artefactos de vidrio cambian de color en diferentes longitudes de onda de luz, según Zhan.
"Nuestra implementación de la teoría de dispersión de Mie es específica de ciertas formas, esferas, lo que significa que tuvimos que incorporar esas formas en el diseño del elemento óptico", dijo Zhan. "Pero confiar en la teoría de dispersión de Mie simplificó significativamenteproceso de diseño y simulación porque podríamos hacer cálculos muy específicos y muy precisos sobre las propiedades de la luz cuando interactúa con el elemento óptico ".
Su enfoque podría emplearse para incluir diferentes geometrías, como cilindros y elipsoides.
El elemento óptico que diseñó el equipo es esencialmente una superficie cubierta por miles de pequeñas esferas de diferentes tamaños, dispuestas en una red cuadrada periódica. El uso de esferas simplificó el diseño, y el equipo utilizó una impresora 3D disponible comercialmente para fabricar dos prototipos de elementos ópticos- el más grande de los dos con lados de solo 0.02 centímetros de largo - en la Instalación de Nanofabricación de Washington en el campus de la Universidad de Washington. Los elementos ópticos se imprimieron en 3D con un epóxido ultravioleta sobre superficies de vidrio. Un elemento fue diseñado para enfocar la luz a 1,550nanómetros, el otro a 3.000 nanómetros.
Los investigadores visualizaron los elementos ópticos bajo un microscopio para ver qué tan bien se desempeñaron según lo diseñado - enfocando la luz de 1,550 o 3,000 nanómetros en ocho puntos específicos a lo largo de un patrón helicoidal 3D. Bajo el microscopio, la mayoría de los puntos de luz enfocados estaban enlas posiciones predichas por las simulaciones teóricas del equipo. Por ejemplo, para el dispositivo de longitud de onda de 1.550 nanómetros, seis de los ocho puntos focales estaban en la posición predicha. Los dos restantes mostraron solo pequeñas desviaciones.
Con el alto rendimiento de sus prototipos, al equipo le gustaría mejorar el proceso de diseño para reducir los niveles de luz de fondo y mejorar la precisión de la ubicación de los puntos focales, e incorporar otros elementos de diseño compatibles con la teoría de dispersión de Mie.
"Ahora que hemos demostrado que funcionan los principios básicos de diseño, hay muchas direcciones que podemos seguir con este nivel de precisión en la fabricación", dijo Majumdar.
Una dirección particularmente prometedora es avanzar más allá de una sola superficie para crear un metamaterial 3D de volumen real.
"La impresión 3D nos permite crear una pila de estas superficies, lo que antes no era posible", dijo Majumdar.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Washington . Original escrito por James Urton. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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