Для создания оптических микросхем требуются устройства, которые способны усиливать оптический сигнал, фокусировать его на детекторах, поворачивать или менять характер его движения. Обычные линзы уже не могут справиться с этой задачей в наномасштабе, поэтому ученые разрабатывают тончайшие линзы из искусственных оптических материалов — фотонных кристаллов и метаматериалов, позволяющих управлять световой волной самым необычным образом. Однако получение оптических материалов с нужными свойствами — трудоемкий процесс, требующий постоянного совершенствования.
Ученые из Университета ИТМО, Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе и Австралийского национального университета впервые предложили анализировать число частиц, составляющих структуру фотонного кристалла, при помощи метода оптической дифракции, то есть по пятнам света, которые видны на проекционном экране при просвечивании образца лазером. Исследователи обнаружили, что количество этих пятен соответствует количеству частиц-рассеивателей в кристалле. Ранее увидеть и посчитать эти частицы можно было только с помощью дорогостоящего электронного или атомно-силового микроскопа.
«Свет чувствует неоднородность, — рассказывает Михаил Рыбин, первый автор статьи, старший научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО и лаборатории спектроскопии твердого тела ФТИ им. А. Ф. Иоффе. — В зависимости от взаимного расположения и формы рассеивателей волна распространяется за образцом определенным образом. Другими словами, структура и размер образца влияют на дифракционную картину, которую создаст свет, достигнув проекционного экрана. Мы обнаружили, что, глядя на эту картину, можно определить число рассеивателей в материале. Это позволяет узнать не только тип решетки образца (квадратная, треугольная), но и установить его строение (20 на 20 частиц или 30 на 15), просто посчитав пятнышки света на экране».
Новый метод является гораздо более доступной альтернативой дорогостоящей электронной и атомно-силовой микроскопии и при этом не выводит образцы из строя.
«Даже школьник может купить в магазине лазерную указку, приспособить к ней небольшую линзу для лучшей фокусировки света, закрепить образец и просветить его, — отмечает разработчик. — Кроме того, наш метод позволяет изучать оптические материалы без изменения их структуры в отличие от электронной микроскопии, когда на поверхность образца приходится напылять проводящий слой металла, что изменяет его оптические свойства».
При помощи дифракционного метода исследователи также изучили переход между двумя важнейшими классами оптических материалов: фотонными кристаллами и метаповерхностями. В работе ученым удалось выяснить, при каких именно размерах кристаллической решетки свет перестает воспринимать образец как двумерный фотонный кристалл и начинает взаимодействовать с ним как с метаповерхностью.
В обоих классах структур частицы-рассеиватели (колечки, шарики, цилиндрики размером в 200−300 нанометров) собраны в плоскую решетку. Однако в случае двумерного фотонного кристалла свет видит образец как набор отдельных частиц и, проходя сквозь материал, оставляет причудливые узоры, т. е. дифракционную картину, на экране, расположенном позади образца. С метаповерхностью же свет начинает вести себя как с однородным материалом. На экране появляется только одно яркое пятно, свидетельствующее о том, что рассеиватели расположены настолько близко друг к другу, что свет не воспринимает их как отдельные частицы и проходит сквозь материал не разделяясь.
Чтобы пучок не разделялся, проходя через метаповерхность, расстояние между частицами должно быть меньше длины волны света. Расчеты показывают, что для некоторых структур нужно изготовить такую решетку, чтобы расстояние между ее рассеивателями было в 2−3 раза меньше, чем длина волны. Однако часто свойства метаповерхности могут проявляться и при большем расстоянии между частицами. Важно найти это максимальное расстояние, поскольку каждый нанометр, на который нужно уменьшить структуру, делает технологию дороже.
Так, например, ученые установили, что для света с длиной волны 530 нанометров (соответствует зеленому цвету) достаточно, чтобы расстояние между рассеивателями в исследуемой структуре было всего на 30 нанометров меньше.
«Такой зеленый пучок видит структуру с периодом в 500 нанометров уже как единое целое. То есть иногда совсем необязательно делать решетку с периодом намного меньше длины волны, ведь изготовлять структуры большего размера значительно легче с точки зрения технологии. Для одной длины волны материал может быть фотонным кристаллом, а для другой — метаповерхностью, поэтому при разработке таких структур можно проводить оценку максимального периода решетки с помощью лазера», — заключает Михаил Рыбин.
Статья: Mikhail V. Rybin, Kirill B. Samusev, Stanislav Yu. Lukashenko, Yuri S. Kivshar and Mikhail F. Limonov, Transition from two-dimensional photonic crystals to dielectric metasurfaces in the optical diffraction with a fine structure, Scientific Reports, 2016.
