Скрученные муаровые фотонные кристаллы представляют собой передовой тип оптических метаматериалов, открывающий значительные перспективы для совершенствования оптических систем. Они предлагают способ создания более компактных, функциональных и мощных оптических устройств, являясь разновидностью оптических метаматериалов.
Принцип их работы основан на взаимодействии света с уникальной структурой, определяемой способом скручивания и наложения слоев кристалла. Подобно тому, как при наложении двух тканей с узором (полосы или клетки) и их взаимном смещении или скручивании возникают новые, сложные узоры (муаровый эффект), изменение угла скручивания и расстояния между слоями фотонного кристалла позволяет точно настраивать его взаимодействие со светом. Это дает возможность одновременно контролировать и управлять несколькими параметрами света, такими как фаза, поляризация и длина волны, потенциально заменяя одним устройством несколько оптических компонентов, необходимых для одновременных измерений.
Однако до недавнего времени исследователи сталкивались с серьезной проблемой: сложностью интеграции этих кристаллов в устройства с возможностью управления в реальном времени. Неспособность активно контролировать угол скручивания и расстояние между слоями в динамике существенно ограничивала их практическое применение.
Прорыв был достигнут группой исследователей, разработавших интегрированный на чипе сенсор на основе скрученных муаровых фотонных кристаллов с управлением в реальном времени. В устройстве используется технология МЭМС (микро-электромеханические системы), которая позволяет активно изменять зазор (расстояние) и угол между слоями кристалла. Этот сенсор способен одновременно обнаруживать и собирать детальную информацию о поляризации и длине волны света. Разработка велась под руководством Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) в сотрудничестве со Стэнфордским университетом и Калифорнийским университетом в Беркли.
Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Nature Photonics. Образцы для эксперимента были изготовлены в Центре наноразмерных систем Гарвардского университета.
Эрик Мазур, профессор физики и прикладной физики имени Балкански в SEAS и старший автор статьи, подчеркивает перспективность скрученных муаровых фотонных кристаллов благодаря их высоко настраиваемым оптическим свойствам, возможности точного контроля света, компактному и масштабируемому дизайну, а также широкому потенциалу применения в передовой фотонике.
Хаонинг Танг, постдокторант в SEAS и первый автор исследования, отмечает, что работа демонстрирует мощь этих материалов при точном управлении. Она открывает масштабируемый путь к созданию комплексных устройств плоской оптики, подходящих для универсальных задач манипулирования светом и обработки информации.
Конструктивно слои фотонного кристалла размещены на вертикальных и вращательных актуаторах, подключенных к электроду. Весь прибор имеет размер всего «несколько миллиметров». Важно, что он может быть изготовлен с использованием КМОП-совместимых процессов, что подразумевает возможность массового производства с использованием стандартных процессов нанофабрикации на литейных производствах.
Исследователи продемонстрировали способность устройства выполнять сложную визуализацию путем управления слоями. Используя актуаторы для изменения расстояния и угла поворота слоев, они осуществили одновременную гиперспектральную и гиперполяриметрическую визуализацию. Гиперспектральная визуализация захватывает информацию по всему электромагнитному спектру для каждого пикселя, тогда как гиперполяриметрическая фиксирует подробную информацию о состоянии поляризации света для каждого пикселя. Это первое устройство с активной настройкой, продемонстрировавшее возможность одновременного получения столь детальной информации о множестве свойств света (длина волны и состояние поляризации).
Потенциальные области применения этого устройства весьма разнообразны и включают ситуации, где критически важна детальная информация о свете. Хаонинг Танг упоминает такие сферы, как квантовые вычисления, передача данных, спутниковые технологии и медицинская диагностика (сканирование), а также любые задачи, требующие четких изображений и подробной информации о свете и цвете.
Дальнейшее развитие технологии направлено на создание устройств с еще более сложными возможностями настройки. Целью является разработка актуаторов с большим количеством степеней свободы для расширения функциональности и точности управления светом.
Изображение носит иллюстративный характер
Принцип их работы основан на взаимодействии света с уникальной структурой, определяемой способом скручивания и наложения слоев кристалла. Подобно тому, как при наложении двух тканей с узором (полосы или клетки) и их взаимном смещении или скручивании возникают новые, сложные узоры (муаровый эффект), изменение угла скручивания и расстояния между слоями фотонного кристалла позволяет точно настраивать его взаимодействие со светом. Это дает возможность одновременно контролировать и управлять несколькими параметрами света, такими как фаза, поляризация и длина волны, потенциально заменяя одним устройством несколько оптических компонентов, необходимых для одновременных измерений.
Однако до недавнего времени исследователи сталкивались с серьезной проблемой: сложностью интеграции этих кристаллов в устройства с возможностью управления в реальном времени. Неспособность активно контролировать угол скручивания и расстояние между слоями в динамике существенно ограничивала их практическое применение.
Прорыв был достигнут группой исследователей, разработавших интегрированный на чипе сенсор на основе скрученных муаровых фотонных кристаллов с управлением в реальном времени. В устройстве используется технология МЭМС (микро-электромеханические системы), которая позволяет активно изменять зазор (расстояние) и угол между слоями кристалла. Этот сенсор способен одновременно обнаруживать и собирать детальную информацию о поляризации и длине волны света. Разработка велась под руководством Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) в сотрудничестве со Стэнфордским университетом и Калифорнийским университетом в Беркли.
Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Nature Photonics. Образцы для эксперимента были изготовлены в Центре наноразмерных систем Гарвардского университета.
Эрик Мазур, профессор физики и прикладной физики имени Балкански в SEAS и старший автор статьи, подчеркивает перспективность скрученных муаровых фотонных кристаллов благодаря их высоко настраиваемым оптическим свойствам, возможности точного контроля света, компактному и масштабируемому дизайну, а также широкому потенциалу применения в передовой фотонике.
Хаонинг Танг, постдокторант в SEAS и первый автор исследования, отмечает, что работа демонстрирует мощь этих материалов при точном управлении. Она открывает масштабируемый путь к созданию комплексных устройств плоской оптики, подходящих для универсальных задач манипулирования светом и обработки информации.
Конструктивно слои фотонного кристалла размещены на вертикальных и вращательных актуаторах, подключенных к электроду. Весь прибор имеет размер всего «несколько миллиметров». Важно, что он может быть изготовлен с использованием КМОП-совместимых процессов, что подразумевает возможность массового производства с использованием стандартных процессов нанофабрикации на литейных производствах.
Исследователи продемонстрировали способность устройства выполнять сложную визуализацию путем управления слоями. Используя актуаторы для изменения расстояния и угла поворота слоев, они осуществили одновременную гиперспектральную и гиперполяриметрическую визуализацию. Гиперспектральная визуализация захватывает информацию по всему электромагнитному спектру для каждого пикселя, тогда как гиперполяриметрическая фиксирует подробную информацию о состоянии поляризации света для каждого пикселя. Это первое устройство с активной настройкой, продемонстрировавшее возможность одновременного получения столь детальной информации о множестве свойств света (длина волны и состояние поляризации).
Потенциальные области применения этого устройства весьма разнообразны и включают ситуации, где критически важна детальная информация о свете. Хаонинг Танг упоминает такие сферы, как квантовые вычисления, передача данных, спутниковые технологии и медицинская диагностика (сканирование), а также любые задачи, требующие четких изображений и подробной информации о свете и цвете.
Дальнейшее развитие технологии направлено на создание устройств с еще более сложными возможностями настройки. Целью является разработка актуаторов с большим количеством степеней свободы для расширения функциональности и точности управления светом.
