Jämförelse mellan konventionella linser och metalenses för terahertz (THz) strålning. Metalenses är ultratunna (cirka 25 mikrometer i tjocklek) och även mycket platta jämfört med konventionella. Kredit:Institutet för grundvetenskap
På strävan efter miniatyrisering, forskare vid Center for Integrated Nanostructure Physics, inom Institutet för grundvetenskap (IBS, Sydkorea), i samarbete med forskare från University of Birmingham och Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), utveckla kreditkortstjocka, platta linser med inställbara funktioner. Dessa optiska enheter, gjord av grafen och en punkterad guldyta, kan bli optiska komponenter för avancerade applikationer, såsom amplitudavstämbara linser, lasrar (dvs. vortexfasplattor), och dynamisk holografi.
Metasytor är nya 2D-material som effektivt kan kontrollera de elektriska och magnetiska komponenterna i ljus (och andra elektromagnetiska vågor) och böja dem i skräddarsydda riktningar. Att styra strålens riktning kan få fram intressanta fenomen; det mest otroliga är "osynlighetsmanteleffekten", där ljusvågor går förbi ett objekt som återskapar bilden bortom objektet, som strömmande vatten i en flod skulle gå förbi en sten.
Publicerad i Avancerat optiskt material , studien presenterar egenskaperna hos en metayta som fungerar som en konvex lins. Specifikt, den är gjord av ett guldark genomborrat med mikrometerstora U-formade hål och täckt med grafen. Eftersom formen på vanliga konvexa linser gör att ljuset kan koncentreras på en punkt (eller fokus), tänk på ett förstoringsglas som kan koncentrera en ljusstråle och till och med starta en eld, så det speciella mönstret för metallens små öppningar fungerar genom att fokusera den inkommande strålen.
Dessutom, dessa mikrohål kan också ändra ljuspolarisation. Även om naturligt ljus i allmänhet är opolariserat innan det reflekteras, laget använde cirkulärt polariserade vågor, det vill säga en ljusstråle där det elektriska fältets riktning är korkskruvspiral. Denna metalens kan omvandla den vänstercirkulära polarisationsvågen (som går moturs om den ses rakt fram) till högercirkulär polarisation (medurs). Forskarna lyckades få en konverteringsgrad på 35 procent. Att konvertera cirkulär polarisation kan vara användbart inom ett antal områden, till exempel biosensing och telekommunikation.
Metalenses funktioner. a) Metalenserna är gjorda med ett atomtjockt grafenark och en tunn guldyta med små U-formade hål. b) Enheten kan omvandla den cirkulära polariseringen av erahertzvågen från vänster till höger. Dessutom, genom att rotera hålens mönster, strålen (eller vågen) kan böjas till önskad vinkel. Kredit:Institutet för grundvetenskap
För att kontrollera ännu fler fastigheter, forskarna utnyttjade grafens unika elektroniska egenskaper och använde dem för att ställa in strålens intensitet eller amplitud. Här spelar grafen rollen som exponering av en kamera. När det gäller kameran, en mekanisk kontroll tillåter en viss slutares öppningstid och storlek för att bestämma mängden ljus som kommer in i instrumentet. Dessa metalenser istället, reglera exponeringen via en elektrisk spänning som appliceras på grafenarket, utan behov av skrymmande komponenter. När spänning appliceras på grafenskiktet, utgångsstrålen blir svagare. "Med hjälp av metalenses, du kan göra mikroskop, kameror, och verktyg som används vid mycket känsliga optiska mätningar, mycket mer kompakt, säger Teun-Teun Kim.
Metalenses designades för en typ av elektromagnetisk våg, som faller mellan infraröd strålning och mikrovågsstrålning, kallas terahertzstrålning. Denna typ av strålning kan passera genom vissa material (som tyger och plaster), men på ett kortare djup än mikrovågsstrålning, av denna anledning används den för övervakning och säkerhetskontroll.
"Medan konventionella optiska linser har en tjocklek på flera centimeter till flera millimeter, denna metalens är bara några tiotals mikrometer tjock. Intensiteten hos det fokuserade ljuset kan kontrolleras effektivt och det kan hitta användbara tillämpningar i ultrasmå optiska instrument, säger Teun-Teun Kim.
Funktionen hos det U-formade mönstret och grafenet är att koncentrera strålens riktning och modulera signalintensiteten. Olika U-formade hålmönster på metaytan skapar en randig (a) och en fokaliserad (b) strålutgång. I b) är strålen koncentrerad till ett litet område (röd fläck), på samma sätt som ett förstoringsglas fokuserar ljuset på en specifik punkt. Dessutom, genom att applicera en grindad spänning (2,2 V) på grafen, den utgående strålens intensitet blir svagare. Grafenfunktion kan jämföras med exponeringen av en kamera. Kredit:Institutet för grundvetenskap
