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 de la ciencia , su elemento óptico diseñado enfoca la luz en puntos discretos en un patrón helicoidal tridimensional.

Los principios de diseño del equipo y los hallazgos experimentales demuestran que es posible modelar y construir dispositivos de metamateriales que pueden manipular con precisión campos ópticos con alta resolución espacial en tres dimensiones. Aunque el equipo eligió un patrón helicoidal (una hélice en espiral) para que su elemento óptico enfocara 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 retrorreflectores, sino también para realizar nuevas variedades. Además, El diseño de campos ópticos en tres dimensiones podría permitir la creación de sensores de profundidad ultracompactos para el transporte autónomo. así como elementos ópticos para pantallas y sensores en cascos de realidad virtual o aumentada.

"Este dispositivo reportado realmente no tiene un análogo clásico en óptica refractiva, la óptica que encontramos en nuestra vida diaria, "dijo el autor correspondiente Arka Majumdar, un profesor asistente de la UW de ingeniería eléctrica e informática y física, y miembro de la facultad del Instituto de Sistemas de Nanoingeniería de la UW y del Instituto de Ciencias Moleculares y de Ingeniería. "Nadie había 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:el diseño inverso. Usando diseño inverso, empezaron con el tipo de perfil de campo óptico que querían generar (ocho puntos de luz enfocados en un patrón helicoidal) y diseñaron una superficie de 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 en juego el diseño inverso:dejas 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 gran área ópticamente activos porque requiere una gran cantidad de simulaciones, haciendo que el diseño inverso sea computacionalmente intensivo.

Aquí, el equipo evitó este escollo gracias a una visión 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 utilizar la teoría de la dispersión de Mie para diseñar el elemento óptico. La 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. La teoría de la dispersión de Mie explica cómo las nanopartículas metálicas en las vidrieras pueden dar a ciertas ventanas de la iglesia sus colores llamativos. y cómo otros artefactos de vidrieras cambian de color en diferentes longitudes de onda de luz, según Zhan.

"Nuestra implementación de la teoría de la dispersión de Mie es específica para ciertas formas (esferas), lo que significaba que teníamos que incorporar esas formas en el diseño del elemento óptico, "dijo Zhan." Pero, confiar en la teoría de la dispersión de Mie simplificó significativamente el proceso de diseño y simulación porque pudimos hacer muy específicos, cálculos 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 esferas diminutas de diferentes tamaños, dispuestas en una celosía cuadrada periódica. El uso de esferas simplificó el diseño, y el equipo utilizó una impresora 3D disponible comercialmente para fabricar dos elementos ópticos prototipo, 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 3-D de un epoxi ultravioleta sobre superficies de vidrio. Un elemento fue diseñado para enfocar la luz a 1, 550 nanómetros, el otro a las 3, 000 nanómetros.

Los investigadores visualizaron los elementos ópticos bajo un microscopio para ver qué tan bien se desempeñaban según lo diseñado:enfocando la luz de 1, 550 o 3, 000 nanómetros en ocho puntos específicos a lo largo de un patrón helicoidal tridimensional. Bajo el microscopio la mayoría de los puntos de luz enfocados estaban en las posiciones predichas por las simulaciones teóricas del equipo. Por ejemplo, para el 1, Dispositivo de longitud de onda de 550 nanómetros, seis de los ocho puntos focales estaban en la posición prevista. Los dos restantes mostraron solo desviaciones menores.

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 la dispersión de Mie.

"Ahora que hemos demostrado que los principios básicos de diseño funcionan, 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 volumen real, Metamaterial 3-D.

"La impresión 3D nos permite crear una pila de estas superficies, que no era posible antes, "dijo Majumdar.