Ilustración que muestra el funcionamiento de un casco de realidad aumentada con metasuperficies no locales multifuncionales como lentes transparentes ópticas. Crédito:Nanfang Yu, Stephanie Malek, Adam Overvig/Columbia Engineering
Como sabe cualquiera que haya probado recientemente un auricular de realidad aumentada, la tecnología aún no está lista para ser parte de nuestra vida cotidiana. Los investigadores han estado trabajando para perfeccionar las gafas de realidad aumentada (AR) de alto rendimiento, pero hay una serie de desafíos. Un problema importante con las gafas AR convencionales es que existe una compensación en términos de calidad y brillo entre la escena externa que realmente ve y la información contextual que también desea visualizar.
Las primeras soluciones como Google Glass usaban múltiples componentes ópticos voluminosos que eran parcialmente reflectantes y parcialmente transmisivos para mezclar las escenas contextuales y del mundo real, con el resultado de una visión atenuada y distorsionada de ambas escenas.
Los anteojos AR más recientes con pantalla montada en la cabeza han sido modelados con rejillas de difracción (surcos finos) con un espaciado del tamaño de la longitud de onda que desvía la información contextual desde un miniproyector al lado de los anteojos hasta el ojo del espectador. Pero estos anteojos aún oscurecen y distorsionan la escena externa porque la luz del mundo real que pasa a través del vidrio inevitablemente se dispersa y dispersa por las rejillas. Las distorsiones empeoran cuando se deben usar varios conjuntos de rejillas superpuestas para manejar múltiples colores distintos del miniproyector.
Las gafas AR que combinan perfectamente el entorno externo y la información contextual para el ojo humano serían muy útiles para muchas aplicaciones. Como una pantalla de visualización frontal, la tecnología podría dar instrucciones de navegación a alguien que conduce un automóvil o transmitir datos de sensores al piloto que vuela un avión sin necesidad de que desvíen la mirada de sus parabrisas. Como pantalla montada en la cabeza, la tecnología podría permitir a los cirujanos y soldados ver información relacionada con sus tareas con una facilidad y eficiencia sin precedentes.
El vidrio no solo debe ser altamente transparente en casi todo el espectro visible, lo que permite una visión del mundo exterior sin atenuaciones ni distorsiones, sino que también debe funcionar como una lente altamente eficiente que enfoca la luz de un miniproyector en el ojo humano para formar una imagen visual. contexto que acompaña a la escena externa del mundo real.
Un estudio demuestra un nuevo tipo de vidrio moldeador de frente de onda selectivo de longitud de onda
Los investigadores de Columbia Engineering informan que ahora han inventado este tipo de vidrio. Dirigido por Nanfang Yu, profesor asociado de física aplicada y matemáticas aplicadas, el equipo ha creado un dispositivo óptico plano que enfoca solo unos pocos colores de luz de banda estrecha seleccionados mientras permanece transparente a la luz no seleccionada en la gran mayoría del espectro. El artículo fue publicado en línea el 8 de agosto de 2022 por Light:Science &Applications .
"Hemos construido un dispositivo óptico plano muy genial que parece completamente transparente, como una simple pieza de vidrio, hasta que haces brillar un haz de luz con la longitud de onda correcta, cuando el dispositivo de repente se convierte en una lente", dijo Yu, líder en investigación en nanofotónica. "Para mí, esto es magia óptica".
Metasuperficies
El grupo de Yu desarrolla dispositivos ópticos planos basados en metasuperficies (componentes ópticos ultrafinos) para controlar la propagación de la luz en el espacio libre y en las guías de ondas ópticas. Las metasuperficies están hechas de conjuntos bidimensionales (2D) de dispersores de diseño, llamados "antenas ópticas", una versión diminuta de las antenas de radio que tienen dimensiones a escala nanométrica.
La característica clave de las metasuperficies es que los dispersores ópticos son todos ópticamente diferentes. La luz que dispersan puede tener diferente amplitud, fase o polarización, por lo que las metasuperficies pueden introducir una respuesta óptica espacialmente variable que puede controlar la luz de manera extremadamente flexible. Como resultado, las metasuperficies permiten realizar funcionalidades que normalmente requieren componentes ópticos 3D o dispositivos con una huella mucho más grande, como enfocar o dirigir haces de luz, o cambiar señales ópticas en chips fotónicos integrados.
Fila superior:(Izquierda) Ilustración que muestra el funcionamiento de un metalens selectivo de longitud de onda, con luz "verde" enfocada, mientras que los otros colores pasan sin distorsión. (Centro) Imagen óptica de un metalens selectivo de longitud de onda compuesto por aberturas rectangulares grabadas en una película delgada de silicio. (Derecha) Imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) de los metales en su centro y borde. Fila inferior:una serie de escaneos de campo lejano bidimensionales (2D) muestra que el enfoque es más eficiente en el centro de la resonancia, λ=1590 nm, con la eficiencia de enfoque cayendo en los dos hombros de la resonancia, λ=1575 nm y 1600 nm, y que los puntos focales se vuelven casi indetectables en longitudes de onda a decenas de nanómetros del centro de la resonancia. Crédito:Nanfang Yu, Stephanie Malek, Adam Overvig/Columbia Engineering
Metasuperficies no locales
El equipo de Yu inventó una "metasuperficie no local" que puede manipular las ondas de luz de distintas maneras en distintas longitudes de onda específicas, sin afectar la luz en longitudes de onda no específicas. Los nuevos dispositivos ejercen control tanto espacial como espectral sobre la luz seleccionando un color (espectral) y enfocándolo (espacial) no solo en una sola longitud de onda sino también de forma independiente en múltiples longitudes de onda diferentes.
Por ejemplo, un dispositivo demostrado funciona como una lente convergente que enfoca la luz en un color y como una lente cóncava que dispersa la luz en un segundo color, mientras permanece transparente, como una losa de vidrio sin patrón, cuando se ilumina con luz en colores sobre el resto del espectro.
Romper la simetría para irradiar luz y dar forma a su frente de onda
Estos nuevos dispositivos se originaron a partir de exploraciones teóricas de Adam Overvig, un ex Ph.D. estudiante del grupo de Yu y coautor del estudio, sobre cómo manipular la simetría en losas de cristal fotónico (PhC), como una estructura periódica 2D que es una matriz cuadrada de agujeros cuadrados definidos en una película delgada de silicio. Se sabe que las losas de PhC admiten un conjunto de modos, cuyas frecuencias o colores están determinados por la geometría de la losa (por ejemplo, la periodicidad de la matriz y el tamaño de los agujeros).
Los modos son esencialmente una lámina de luz que se extiende espacialmente (no local) a lo largo de la losa pero que, por lo demás, está confinada en la dirección normal a la losa.
La introducción de una perturbación que rompa la simetría en una losa de PhC estructuralmente repetitiva, como simplemente deformar los agujeros cuadrados de la PhC en agujeros rectangulares, reduce el grado de simetría de la PhC para que los modos ya no estén confinados a la losa:pueden ser excitado al hacer brillar un haz de luz desde el espacio libre con el color correcto y también puede irradiar de vuelta al espacio libre.
Significativamente, en lugar de aplicar una perturbación uniforme sobre toda la losa de PhC, los investigadores variaron espacialmente la perturbación, orientando los orificios rectangulares en diferentes direcciones sobre el dispositivo. De esta forma, la emisión superficial del dispositivo podría tener un frente de onda moldeado en relación con el patrón de los ángulos de orientación de los rectángulos.
Primeros en hacer lentes que enfocan la luz del color deseado
"Esta es la primera vez que alguien ha demostrado experimentalmente dispositivos ópticos de forma de frente de onda selectivos de longitud de onda utilizando un enfoque basado en perturbaciones que rompen la simetría", explicó Stephanie Malek, estudiante de doctorado en el grupo de Yu y autora principal del estudio. .
"Al elegir cuidadosamente la geometría del PhC inicial, podemos lograr la selectividad de la longitud de onda, y al adaptar las orientaciones de la perturbación aplicada al PhC, podemos esculpir el frente de onda del color de luz seleccionado. Esto significa que podemos hacer lentes que enfocan la luz solo del color seleccionado."
Fila superior:(Izquierda) Ilustración que muestra el funcionamiento de un doblete de metalens de tres funciones. El doblete es capaz de generar tres patrones focales distintos (dos líneas focales ortogonales entre sí y un punto focal en forma de estrella) en tres longitudes de onda diferentes, mientras permanece transparente en otras longitudes de onda. El doblete está compuesto por un metalens cuasi-radial como elemento divergente y un metalens cilíndrico de doble función como elemento convergente. (Centro) Imágenes ópticas de los metales cuasi-radiales y los metales cilíndricos de doble función. (Derecha) Imágenes SEM que muestran las esquinas de los metales cuasi-radiales y los metales cilíndricos de doble función. Fila inferior:una serie de escaneos 2D de campo lejano que muestran los tres patrones focales en l =1424 nm, 1492 nm y 1626 nm y formación mínima de frente de onda sobre el resto del espectro. Crédito:Nanfang Yu, Stephanie Malek, Adam Overvig/Columbia Engineering
La metasuperficie más multifuncional y multicolor hasta la fecha
El equipo demostró un dispositivo multifuncional que da forma a los frentes de onda ópticos de forma independiente en cuatro longitudes de onda distintas, pero actúa como un sustrato transparente en otras longitudes de onda no seleccionadas.
Esto la convierte en la metasuperficie más multifuncional y multicolor que se ha demostrado hasta ahora, y también sugiere que en el futuro se pueden hacer pantallas AR a todo color controlando de forma independiente algunos colores de información virtual.
Aplicaciones de realidad aumentada
Estas nuevas metasuperficies "no locales" de forma de frente de onda y selectivas de longitud de onda ofrecen una solución prometedora para las tecnologías AR, incluidas las pantallas frontales en el parabrisas delantero de los automóviles. La lente transparente óptica puede reflejar información contextual al ojo del espectador en longitudes de onda de banda estrecha seleccionadas del miniproyector, al mismo tiempo que permite una vista de banda ancha sin obstrucciones ni atenuaciones del mundo real.
Y, debido a que las lentes de metasuperficie de longitud de onda selectiva son más delgadas que un cabello humano, son ideales para desarrollar gafas AR que se ven y se sienten como anteojos cómodos y modernos.
Óptica cuántica
Las metasuperficies planas de Yu también se pueden usar para reducir sustancialmente la complejidad de las configuraciones de óptica cuántica que manipulan átomos ultrafríos. Debido a que varios rayos láser en distintas longitudes de onda deben controlarse de forma independiente para enfriar, atrapar y monitorear átomos fríos, estas configuraciones pueden volverse masivas.
Esta complejidad ha dificultado que los investigadores adopten ampliamente átomos fríos para su uso en relojes atómicos, simulaciones cuánticas y cálculos. Ahora, en lugar de construir varios puertos alrededor de la cámara de vacío para los átomos fríos, cada uno con sus exclusivos componentes ópticos que dan forma al haz, se puede usar un único dispositivo de metasuperficie para dar forma simultáneamente a los múltiples rayos láser que se usan en el experimento.
Qué sigue:demostración del concepto en el rango del espectro visible
Los dispositivos de este estudio controlan de manera simultánea e independiente los frentes de onda de varios haces de infrarrojo cercano utilizando películas delgadas de silicio nanoestructuradas. A continuación, el equipo planea demostrar el concepto en el rango espectral visible, para controlar completamente los frentes de onda de tres rayos láser visibles de banda estrecha utilizando una plataforma de dispositivo que presenta una baja pérdida de absorción en el visible, como nitruro de silicio de película delgada y dióxido de titanio.
También están explorando la escalabilidad de la plataforma de metasuperficies de longitud de onda selectiva al incluir más de dos perturbaciones en una sola metasuperficie y al apilar más de dos metasuperficies en un dispositivo compuesto. Metasuperficie diseñada para crear tres imágenes diferentes según la iluminación
