Los investigadores de fotónica de la Universidad de Rice han creado una tecnología potencialmente disruptiva para el mercado de la óptica ultravioleta.

Al grabar con precisión cientos de diminutos triángulos en la superficie de una película microscópica de óxido de zinc, la pionera en nanofotónica Naomi Halas y sus colegas crearon una "metalens" que transforma la luz UV entrante de onda larga (UV-A) en una salida enfocada de luz UV de vacío (VUV). ) radiación. VUV se utiliza en la fabricación de semiconductores, la fotoquímica y la ciencia de los materiales, e históricamente ha sido costoso trabajar con él, en parte porque es absorbido por casi todos los tipos de vidrio utilizados para fabricar lentes convencionales.

"Este trabajo es particularmente prometedor a la luz de las demostraciones recientes de que los fabricantes de chips pueden aumentar la producción de metasuperficies con procesos compatibles con CMOS", dijo Halas, coautor correspondiente de un estudio de demostración de metalens publicado en Science Advances . "Este es un estudio fundamental, pero apunta claramente a una nueva estrategia para la fabricación de alto rendimiento de dispositivos y componentes ópticos VUV compactos".

El equipo de Halas demostró que sus metales microscópicos podían convertir UV de 394 nanómetros en una salida enfocada de VUV de 197 nanómetros. El metalens en forma de disco es una hoja transparente de óxido de zinc que es más delgada que una hoja de papel y tiene solo 45 millonésimas de metro de diámetro. En la demostración, se hizo brillar un láser UV-A de 394 nanómetros en la parte posterior del disco y los investigadores midieron la luz que emergía del otro lado.

La coautora del estudio, Catherine Arndt, estudiante de posgrado en física aplicada en el grupo de investigación de Halas, dijo que la característica clave de las metalens es su interfaz, una superficie frontal que está salpicada de círculos concéntricos de pequeños triángulos.

"La interfaz es donde sucede toda la física", dijo. "En realidad estamos impartiendo un cambio de fase, cambiando tanto la rapidez con la que se mueve la luz como la dirección en la que viaja. No tenemos que recopilar la salida de luz porque usamos la electrodinámica para redirigirla a la interfaz donde la generamos".

La luz violeta tiene la longitud de onda más baja visible para los humanos. El ultravioleta tiene longitudes de onda aún más bajas, que van desde 400 nanómetros hasta 10 nanómetros. El UV de vacío, con longitudes de onda entre 100 y 200 nanómetros, se llama así porque el oxígeno lo absorbe fuertemente. El uso de luz VUV en la actualidad normalmente requiere una cámara de vacío u otro entorno especializado, así como maquinaria para generar y enfocar VUV.

"Los materiales convencionales generalmente no generan VUV", dijo Arndt. "Hoy en día se fabrica con cristales no lineales, que son voluminosos, caros y, a menudo, controlados por exportación. El resultado es que VUV es bastante caro".

En un trabajo anterior, Halas, el físico de Rice Peter Nordlander, ex Rice Ph.D. el estudiante Michael Semmlinger y otros demostraron que podían transformar UV de 394 nanómetros en VUV de 197 nanómetros con una metasuperficie de óxido de zinc. Al igual que los metales, la metasuperficie era una película transparente de óxido de zinc con una superficie estampada. Pero el patrón requerido no era tan complejo ya que no necesitaba enfocar la salida de luz, dijo Arndt.

"Los metalenses aprovechan el hecho de que las propiedades de la luz cambian cuando golpea una superficie", dijo. "Por ejemplo, la luz viaja más rápido a través del aire que a través del agua. Es por eso que obtienes reflejos en la superficie de un estanque. La superficie del agua es la interfaz, y cuando la luz del sol incide en la interfaz, un poco se refleja. "

El trabajo anterior mostró que una metasuperficie podría producir VUV mediante la conversión ascendente de UV de onda larga a través de un proceso de duplicación de frecuencia llamado generación de segundo armónico. Pero VUV es costoso, en parte, porque es costoso manipularlo después de producirlo. Los sistemas disponibles comercialmente para eso pueden llenar gabinetes tan grandes como refrigeradores o autos compactos y cuestan decenas de miles de dólares, dijo.

"Para un metalens, estás tratando de generar la luz y manipularla", dijo Arndt. "En el régimen de longitud de onda visible, la tecnología metalens se ha vuelto muy eficiente. Los cascos de realidad virtual usan eso. Los metalenses también se han demostrado en los últimos años para longitudes de onda visibles e infrarrojas, pero nadie lo había hecho en longitudes de onda más cortas. Y muchos materiales absorben VUV. Así que para nosotros fue solo un desafío general ver, '¿Podemos hacer esto?'"

Para hacer las metalens, Arndt trabajó con el coautor Din Ping Tsai de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong, quien ayudó a producir la intrincada superficie de metalens, y con tres coautores:Semmlinger, quien se graduó de Rice en 2020, Ming Zhang, quien se graduó de Rice en 2021, y Ming Lun Tseng, profesor asistente en la Universidad Nacional Yang Ming Chiao Tung de Taiwán.

Las pruebas en Rice demostraron que las metalens podían enfocar su salida de 197 nanómetros en un punto de 1,7 micrones de diámetro, aumentando la densidad de potencia de la salida de luz 21 veces.

Arndt dijo que es demasiado pronto para decir si la tecnología puede competir con los sistemas VUV de última generación.

"Es realmente fundamental en esta etapa", dijo. “Pero tiene mucho potencial. Podría hacerse mucho más eficiente. Con este primer estudio, la pregunta era:'¿Funciona?' En la siguiente fase, nos preguntaremos:'¿Cuánto mejor podemos hacerlo?'". + Explora más

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