Новый вид линз преобразовывает инфракрасный свет в видимый

Ученые из Института квантовой электроники в швейцарском Цюрихе создали крошечную линзу, преобразующую инфракрасный свет в видимый.

Отмечается, что линза уменьшает длину волны входящего инфракрасного света почти вдвое, фокусируя его в точку. Команда ученых под руководством профессора Рэйчел Грэйндж и докторантки Улле-Линди Тальтс создала плоский метаматериал с поверхностью, покрытой наноструктурами. Эти наноструктуры называются металинзами — сверхтонкими листами, способными менять длину волны света. 

В своем исследовании ученые воспользовались свойством, которое называется генерацией второй оптической гармоники, во время которой фотоны с одинаковой частотой, взаимодействуя с нелинейным материалом, объединяются для формирования новых фотонов с удвоенной энергией, и, следовательно, с удвоенной частотой и длиной волны в половину меньше начальной. Достичь этого удалось благодаря использованию ниобата лития, демонстрирующего нелинейные оптические эффекты. Однако его получение в наноразмерных масштабах было крайне сложным. 

Поскольку ниобат лития химически и физически очень устойчив, ученые решили получить его соответствующие наноразмерные структуры, создав печатную версию с использованием золь-гель раствора. В жидкой форме материал может быть отформован в наноструктуры с помощью мягкой наноимпринтной литографии. После формирования и обжига при температуре 600 °C ниобат лития кристаллизуется в тот тип нелийно-оптического материала, который используется в телекоммуникационных устройствах.

На основе этого была создана металинза толщиной меньше микрона, фокусирующая входящий инфракрасный свет, преобразуя его в видимый фиолетовый. Линзу проверили с использованием ближнего инфракрасного лазера на 800 нанометрах, на выходе получилась плотная фокусная точка на 400 нанометрах — прямое преобразование, видное невооруженным глазом.

Линза увеличила интенсивность исходящего света более чем в 30 раз в точке фокусировки, в широком диапазоне длин волн. Исследователи подчеркивают, что устройства с использованием подобных линз можно будет использовать в документах и купюрах для создания структуры, невидимой при обычном освещении, однако с безошибочными оптическими подписями при освещении лазерами.

Крошечные камеры, преобразующие инфракрасный свет в видимый, имеют широкие перспективы для использования в автономных транспортных средствах, медицинской диагностике, производстве полупроводников, снижая стоимость и сложность глубокой ультрафиолетовой литографии. Ученым технология дает возможность для совершенствования передовых оптических квантовых средств. В частности, речь идет также и о генерации запутанных фотонов с помощью процесса, который носит название спонтанного параметрического снижения частоты и улучшает квантовую связь и вычисления. 

Команда также изучает, как сделать нанокристаллы больше и уменьшить пористость, что улучшит их нелинейные характеристики. Будущие разработки могут включать усовершенствованные резонансы или тонко настроенные геометрии наноструктур для дальнейшего повышения эффективности.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Materials

Источник: ZMEScience