Точно выгравировав сотни крошечных треугольников на поверхности микроскопической пленки оксида цинка, пионер нанофотоники Наоми Халас и ее коллеги создали «металинзу», которая преобразует входящий длинноволновый УФ (УФ-А) в сфокусированный выход вакуумного УФ (ВУФ). излучение. ВУФ используется в производстве полупроводников, фотохимии и материаловедении, и исторически с ним было дорого работать, отчасти потому, что он поглощается почти всеми типами стекла, используемого для изготовления обычных линз.
«Эта работа особенно перспективна в свете недавних демонстраций того, что производители чипов могут увеличить производство метаповерхностей с помощью КМОП-совместимых процессов», — сказал Халас, соавтор демонстрационного исследования металинз, опубликованного в Science Advances. «Это фундаментальное исследование, но оно ясно указывает на новую стратегию высокопроизводительного производства компактных оптических компонентов и устройств ВУФ».
Команда Халаса показала, что его микроскопическая металлическая линза может преобразовывать 394-нм УФ-излучение в сфокусированный выход 197-нанометрового ВУФ-излучения. Металинза в форме диска представляет собой прозрачный лист оксида цинка, который тоньше листа бумаги и имеет диаметр всего 45 миллионных долей метра. Во время демонстрации 394-нанометровый УФ-лазер освещал заднюю часть диска, и исследователи измеряли свет, выходящий с другой стороны.
Соавтор исследования Кэтрин Арндт, аспирант прикладной физики в исследовательской группе Халаса, сказала, что ключевой особенностью металинзы является ее интерфейс, передняя поверхность, усеянная концентрическими кругами крошечных треугольников.
«Интерфейс — это место, где происходит вся физика», — сказала она. «На самом деле мы вносим фазовый сдвиг, изменяя как скорость движения света, так и направление, в котором он движется. Нам не нужно собирать световой поток, потому что мы используем электродинамику, чтобы перенаправить его на интерфейс, где мы его генерируем».
Фиолетовый свет имеет самую низкую длину волны, видимую человеку. Ультрафиолет имеет еще более низкую длину волны, которая колеблется от 400 нанометров до 10 нанометров. Вакуумное УФ излучение с длиной волны 100-200 нанометров названо так потому, что сильно поглощается кислородом. Сегодня для использования ВУФ-излучения обычно требуется вакуумная камера или другая специализированная среда, а также оборудование для генерации и фокусировки ВУФ-излучения.
«Обычные материалы обычно не генерируют ВУФ», — сказал Арндт. «Сегодня он производится с нелинейными кристаллами, которые громоздки, дороги и часто экспортно-контролируемы. В результате ВУФ довольно дорог».
В предыдущей работе Халас, физик Райс Питер Нордландер, бывший доктор философии Райс. студент Майкл Земмлингер и другие продемонстрировали, что они могут преобразовать 394-нм УФ-излучение в 197-нанометровое ВУФ-излучение с помощью метаповерхности из оксида цинка. Как и металинза, метаповерхность представляла собой прозрачную пленку оксида цинка с узорчатой поверхностью. Но требуемый рисунок не был таким сложным, поскольку ему не нужно было фокусировать световой поток, сказал Арндт.
«Металенсы используют тот факт, что свойства света меняются, когда он попадает на поверхность», — сказала она. «Например, свет распространяется быстрее по воздуху, чем по воде. Вот почему вы получаете отражения на поверхности пруда. Поверхность воды — это граница раздела, и когда солнечный свет падает на поверхность, часть его отражается».
Предыдущая работа показала, что метаповерхность может производить ВУФ путем преобразования длинноволнового УФ с повышением частоты с помощью процесса удвоения частоты, называемого генерацией второй гармоники. Но ВУФ обходится дорого, отчасти потому, что им дорого манипулировать после того, как он произведен. По ее словам, коммерчески доступные системы для этого могут заполнить шкафы размером с холодильник или компактный автомобиль и стоят десятки тысяч долларов.
«Для металинзы вы пытаетесь одновременно генерировать свет и манипулировать им», — сказал Арндт. «В режиме видимых длин волн технология металинз стала очень эффективной. Ее используют гарнитуры виртуальной реальности. В последние годы металинзы также были продемонстрированы для видимого и инфракрасного длин волн, но никто не делал этого для более коротких длин волн. И многие материалы поглощают ВУФ. Так что для нас было просто сложно понять: «Можем ли мы это сделать?»
Чтобы создать металинзу, Арндт работал с соавтором Дин Пин Цаем из Городского университета Гонконга, который помог создать сложную поверхность металинзы, и с тремя соавторами: Земмлингером, окончившим Райс в 2020 году, Минг Чжан, который окончил Райс в 2021 году, и Минг Лун Цзэн, доцент Тайваньского национального университета Ян Мин Цзяодун.
Испытания в Райсе показали, что металинза может фокусировать свой 197-нанометровый свет на пятно диаметром 1,7 микрона, увеличивая плотность мощности светового потока в 21 раз.
Арндт сказал, что еще слишком рано говорить о том, сможет ли эта технология конкурировать с современными системами ВУФ.
«На данном этапе это очень важно», — сказала она. «Но у него большой потенциал. Его можно было бы сделать гораздо более эффективным. В этом первом исследовании вопрос был: «Работает ли это?» На следующем этапе мы спросим: «Насколько лучше мы можем это сделать?»
