Лазерный мир

Современным оптическим приборам нужно постоянно менять свои характеристики взаимодействия со светом. Для этого служат различные механические приспособления, которые двигают линзы, поворачивают отражающие поверхности и перемещают лазерные излучатели. Международная группа ученых, куда вошли сотрудники Университета ИТМО и Эксетерского университета, предложила новый метаматериал, который может менять свои оптические характеристики без каких бы то ни было механических воздействий. Это может значительно повысить надежность и удешевить производство сложных оптических устройств. 

Результаты работы исследователей попали на обложку журнала Optica. Бурное развитие науки в последние десятилетия дало человечеству очень широкий выбор новых материалов. Теперь создателям сложных механизмов необходимо все меньше подстраиваться под те ограничения, которые накладывают на их фантазию традиционные материалы.

Огромные перспективы открывают в этом смысле так называемые метаматериалы, над созданием которых работают в частности в Университете ИТМО. За счет сложного строения составных элементов функциональность таких структур в меньшей степени ограничена свойствами материалов, из которых они сделаны. Метаматериалы могут быть объемными, а могут быть и плоскими – в таком случае их называют метаповерхностями.

«Метаповерхности позволяют добиться очень многих интересных эффектов в управлении светом, – рассказывает старший научный сотрудник Нового Физтеха Университета ИТМО Иван Синев. – Однако у них есть проблема – все их свойства закладываются в момент производства и дальше остаются неизменными. Для устройств практического применения хотелось бы этими свойствами управлять не только в момент создания, но и по мере использования».

Эксперимент с новым метаматериалом / ©Пресс-служба ИТМО

В поисках материала для такой адаптивной оптики исследователи из Университета ИТМО, имеющие большой опыт в работе с кремниевыми метаповерхностями, объединились с коллегами из английского Университета Эксетера, которые давно исследуют материалы с фазовой памятью. К таким веществам относятся, к примеру, соединения германия, сурьмы и теллура (GeSbTe), которые часто используются в DVD-дисках.

«Мы сделали расчеты того, как должен выглядеть новый композитный материал на основе кремния, – рассказывает инженер Нового Физтеха Павел Трофимов, – вставка из GeSbTe у нас представлена в виде тонкого слоя между двумя слоями кремния. Получается такой бутерброд – сначала на исходную подложку напыляется кремний, затем слой материала с фазовой памятью, затем снова кремний».

Затем при помощи электронной литографии ученые получили массивы микроскопических гибридных дисков – метаповерхность, с которой уже и работали в лаборатории, проверяя ее свойства для управления светом. Как и ожидалось, совмещение двух материалов дало очень важный эффект – уровень прозрачности получившейся поверхности можно было менять по ходу эксперимента.

Схема предложенной гибридной метаповерхности кремний/ПКМ, состоящей из массивов нанодисков кремний/ГСТ на подложке SiO2 / ©Пресс-служба ИТМО

Дело в том, что у кремниевого диска есть в ближней инфракрасной зоне два оптических резонанса, которые позволяют особенно сильно отражать направленный на поверхность ИК-луч. Слой GeSbTe позволил при определенных условиях «выключать» один из этих резонансов, делая диск практически полностью прозрачным для света в ближнем инфракрасном спектре.

Материалы с функциональной памятью имеют два состояния – кристаллическое, с жесткой упорядоченной структурой атомов, и аморфное. Если находящийся в центре метаматериала слой GeSbTe будет пребывать в кристаллическом состоянии, то второй резонанс пропадет, если же в аморфном, то диск по-прежнему будет отражать ИК-лучи.

«Чтобы переключать метаповерхность между двумя состояниями, мы использовали импульсный лазер с достаточно высокой энергией, – рассказывает Павел Трофимов, –короткий лазерный импульс нагревает слой GeSbTe до температуры плавления, после чего тот быстро остывает и аморфизуется. Если же на диск воздействовать серией коротких импульсов, то он остывает медленнее, застывая в кристаллической структуре».

Свойства новой метаповерхности могут пригодиться для самых разных применений. Прежде всего, это создание лидаров, устройств, сканирующих пространство с помощью излучения и приема отраженных объектами ИК-импульсов. Также потенциально принцип их создания можно взять за основу при производстве специальных сверхтонких линз для фотообъективов, к примеру, установленных в мобильных телефонах.

Источник: https://naked-science.ru/article/column/sozdan-material-sposobnyj-bystro-stanovitsya-prozrachnym-ili-otrazhayushhim-v-infrakrasnom-spektre