W praktyce to właśnie dlatego małe moduły aparatów w smartfonach są dziś tak złożone. W środku nie ma jednej soczewki, tylko cały stos elementów, które muszą jednocześnie ogarniać ostrość, dystorsję i rozjeżdżające się kolory. W większych konstrukcjach, jak teleskopy czy obiektywy do kamer filmowych, problem rozwiązuje się jeszcze większą liczbą szkieł o różnych właściwościach. To działa, ale nie skaluje się dobrze, gdy walczymy o każdy milimetr grubości i każdy gram.
Naukowcy z Uniwersytetu w Nanjing pokazali, że jest to możliwe. Opracowali ultra-cienką powierzchnię, która potrafi kierować światło dwiema niezależnymi ścieżkami, jednocześnie zachowując wierność kolorów. To może oznaczać prawdziwą zmianę w projektowaniu kompaktowych układów optycznych.
Hybrydowe podejście do kontroli światła. Połączenie dwóch mechanizmów w jednej warstwie
Kluczem do sukcesu okazało się połączenie dwóch różnych mechanizmów w jednej warstwie materiału. Naukowcy wykorzystali geometryczne fazy Aharonova-Anandana i Pancharatnama-Berry’ego, które w połączeniu tworzą hybrydowe podejście do inżynierii dyspersji. Metapowierzchnia to niezwykle cienka struktura, która może manipulować właściwościami światła w sposób niemożliwy do osiągnięcia przy użyciu tradycyjnych soczewek czy pryzmatów.
Metapowierzchnia nie ugina światła jak grube szkło, tylko przepisuje falę świetlną na swojej powierzchni, zmieniając jej fazę w bardzo precyzyjny sposób. Można to porównać do tego, jakbyśmy na płaskiej płytce ustawili mikroskopijne instrukcje dla fali: gdzie ma przyspieszyć, gdzie zwolnić, gdzie się zakrzywić, a gdzie rozdzielić. Dzięki temu można projektować elementy optyczne o funkcjach trudnych lub nieopłacalnych do uzyskania klasyczną optyką.
Nowe rozwiązanie pozwala na niezależną kontrolę dwóch różnych stanów spinu światła – fal spolaryzowanych kołowo prawoskrętnie i lewoskrętnie. W praktyce oznacza to, że każdy z tych kanałów może być kontrolowany osobno, bez wpływu na drugi, co dotychczas stanowiło poważne ograniczenie.
Odblokowanie spinu i rozszerzenie fazy. Dwa komplementarne procesy
Mechanizm działania nowej metapowierzchni opiera się na dwóch komplementarnych procesach. Faza Aharonova-Anandana odpowiada za tak zwane odblokowanie spinu, podczas gdy faza Pancharatnama-Berry’ego umożliwia rozszerzenie fazy. To rozdzielenie funkcji pozwala na niezależne kontrolowanie właściwości fazowych i dyspersyjnych dla obu kanałów świetlnych.
Problem, który rozwiązują naukowcy, ma fundamentalne znaczenie dla optyki. Dyspersja to naturalna cecha fal elektromagnetycznych – światło o różnych długościach fal zachowuje się inaczej, co może być przydatne w niektórych zastosowaniach, ale jednocześnie tworzy aberracje chromatyczne. Te zniekształcenia kolorów to zmora projektantów systemów optycznych, od aparatów fotograficznych po teleskopy.
Dotychczasowe achromatyczne metapowierzchnie potrafiły korygować te zniekształcenia, ale tylko dla jednego kanału świetlnego. W przypadkach, gdy uwzględniano oba kanały spinowe, musiały one dzielić to samo zachowanie dyspersyjne. To utrudniało tworzenie kompaktowych, wielofunkcyjnych systemów optycznych, które mogłyby integrować wiele funkcji na jednej platformie.
Od eksperymentów do potencjalnych zastosowań
Zespół z Nanjing nie poprzestał na teorii – przeprowadził eksperymenty z deflektorami wiązki i metalensami działającymi w zakresie 8-12 GHz. Co więcej, rozszerzył metodę na zakres terahercowy 0,8-1,2 THz, co pokazuje, że rozwiązanie nie jest ograniczone do konkretnego pasma częstotliwości. Potencjalne zastosowania technologii są szerokie. Naukowcy widzą możliwość wykorzystania metapowierzchni w obrazowaniu multipleksowanym polaryzacyjnie w widmie widzialnym – to oznaczałoby kamery i systemy wizyjne o znacznie lepszych parametrach.
Szerokopasmowe zintegrowane urządzenia meta-optyczne mogłyby znaleźć zastosowanie w telekomunikacji, medycynie czy astronomii. Trzeba przyznać, że brzmi to niezwykle obiecująco, ale historia technologii pełna jest podobnych zapowiedzi, które nigdy nie wyszły poza laboratorium. W tym przypadku jednak eksperymentalne potwierdzenie w zakresie GHz i THz daje powody do ostrożnego optymizmu. Interesujące jest również to, że badacze planują wykorzystać metody projektowania odwrotnego do dalszej optymalizacji urządzeń. Algorytmy genetyczne i uczenie maszynowe mogą przyspieszyć proces tworzenia nowych rozwiązań i pomóc w praktycznych zastosowaniach na poziomie całych systemów.
Odkrycie zespołu otwiera drogę do tworzenia kompaktowych, wielofunkcyjnych systemów optycznych na pojedynczej platformie. Zamiast stosować wiele oddzielnych elementów optycznych, można będzie wykorzystać jedną ultra-cienką powierzchnię do realizacji złożonych funkcji. To może oznaczać mniejsze, lżejsze i bardziej wydajne urządzenia – od smartfonów po zaawansowane systemy naukowe. Pytanie brzmi, jak szybko uda się przejść od prototypu do masowej produkcji. Na razie możemy obserwować te prace z zainteresowaniem, mając nadzieję, że tym razem obietnice się spełnią.