Новий вид лінз перетворює інфрачервоне світло на видиме

Вчені з Інституту квантової електроніки у швейцарському Цюриху створили крихітну лінзу, що перетворює інфрачервоне світло на видиме.

Зазначається, що лінза зменшує довжину хвилі вхідного інфрачервоного  світла майже удвічі, фокусуючи його у точку. Команда науковців під керівництвом професорки Рейчел Грейндж та докторантки Улле-Лінди Тальтс створила плаский метаматеріал з поверхнею, вкритою наноструктурами. Ці наноструктури називаються металінзами — надтонкими листами, здатними змінювати довжину хвилі світла. 

У своєму дослідженні вчені скористались властивістю, що називається генерацією другої оптичної гармоніки, під час якої фотони з однаковою частотою, взаємодіючи з нелінійним матеріалом, об’єднуються для формування нових фотонів з подвоєною енергією, і, отже, з подвоєною частотою та довжиною хвилі в половину меншою за початкову. Досягти цього вдалось завдяки використанню ніобату літію, що демонструє нелійні оптичні ефекти. Однак його отримання у нанорозмірних масштабах було вкрай складним. 

Оскільки ніобат літію хімічно та фізично дуже стійкий, науковці вирішили отримати його відповідні нанорозмірі структури, сторивши друковану версію з використанням золь-гель розчину. У рідкій формі матеріал може бути відформований у наноструктури за допомогою м’якої наноімпринтної літографії. Після формування та обжигу за температури 600 °C ніобат літію кристалізується у той тип нелійно-оптичного матеріалу, що використовується у телекомунікаційних пристроях.

На основі цього було створено металінзу завтовшки менше мікрона, яка фокусує вхідне інфрачервоне світло, перетворюючи його у видиме фіолетове. Лінзу перевірили з використанням ближнього інфрачервоного лазера на 800 нанометрах, на виході вийшла щільна фокусна точка на 400 нанометрах — пряме перетворення, видне неозброєним оком.

Лінза збільшила інтенсивність вихідного світла у понад 30 разів в точці фокусування, у широкому діапазоні довжинь хвиль. Дослідники підкреслюють, що пристрої із використанням подібних лінз можна буде використовувати у документах та купюрах для створення структури, невидимої за звичайного освітлення, однак із безпомилковими оптичними підписами у разі освітлення лазерами.

Крихітні камери, що перетворюють інфрачервоне світло на видиме, мають широкі перспективи для використання у автономних транспортних засобах, медичній діагностиці, виробництві напівпровідників, знижуючи вартість та складність глибокої ультрафіолетової літографії. Науковцям технологія дає змогу для вдосконалення передових оптичних квантових засобів. Зокрема, мова йде також і про генерацію заплутаних фотонів за допомогою процесу, що носить назву спонтанного параметричного зниження частоти і поліпшує квантовий зв’язок та обчислення. 

Команда також вивчає, як зробити нанокристали більше та зменшити пористість, що покращить їх нелінійні характеристики. Майбутні розробки можуть включати вдосконалені резонанси або тонко налаштовані геометрії наноструктур для подальшого підвищення ефективності. 

Результати дослідження були опубліковані у журналі Advanced Materials

Джерело: ZMEScience