Illustration som visar driften av ett augmented reality-headset med multifunktionella icke-lokala metasytor som optiska genomskinliga linser. Kredit:Nanfang Yu, Stephanie Malek, Adam Overvig/Columbia Engineering
Som alla som nyligen har provat ett augmented reality-headset vet är tekniken ännu inte redo att vara en del av vår vardag. Forskare har arbetat med att perfekta högpresterande augmented reality-glasögon (AR), men det finns ett antal utmaningar. Ett stort problem med konventionella AR-glasögon är att det finns en avvägning vad gäller kvalitet och ljusstyrka mellan den externa scen du faktiskt ser och den kontextuella information du också vill visualisera.
Tidiga lösningar som Google Glass använde flera skrymmande optiska komponenter som var delvis reflekterande och delvis transmissiva för att blanda verkliga och kontextuella scener, med resultatet av en nedtonad och förvrängd vision av båda scenerna.
Nyare AR-glasögon med huvudmonterad display har mönstrats med diffraktiva gitter (fina spår) med våglängdsstora avstånd som avleder kontextuell information från en miniprojektor bredvid glasögonen till betraktarens öga. Men dessa glasögon dämpar fortfarande och förvränger den yttre scenen eftersom verkligt ljus som passerar genom glaset oundvikligen sprids och sprids av gallren. Förvrängningarna blir värre när flera uppsättningar av överlappande galler måste användas för att hantera flera distinkta färger från miniprojektorn.
AR-glasögon som perfekt blandar den yttre miljön och kontextuell information för det mänskliga ögat skulle vara mycket användbara för många applikationer. Som en head-up-display kan tekniken ge navigeringsinstruktioner till någon som kör bil eller mata data från sensorer till piloten som flyger ett plan utan att behöva titta bort från sina vindrutor. Som en huvudmonterad display kan tekniken göra det möjligt för kirurger och soldater att se information relaterad till deras uppgifter med oöverträffad enkelhet och effektivitet.
Glaset måste inte bara vara mycket genomskinligt över nästan hela det synliga spektrumet, vilket möjliggör oförminskad och oförvrängd syn på omvärlden, utan också fungera som en mycket effektiv lins som fokuserar ljuset från en miniprojektor in i det mänskliga ögat för att bilda en visuell sammanhang som ackompanjerar den yttre verkliga scenen.
Studie visar en ny typ av våglängdsselektivt, vågfrontsformande glas
Forskare vid Columbia Engineering rapporterar att de nu har uppfunnit just den här typen av glas. Under ledning av Nanfang Yu, docent i tillämpad fysik och tillämpad matematik, har teamet skapat en platt optisk enhet som fokuserar endast ett fåtal utvalda smalbandsfärger av ljus samtidigt som den förblir genomskinlig för icke-selekterat ljus över den stora majoriteten av spektrumet. Tidningen publicerades online den 8 augusti 2022 av Light:Science &Applications .
"Vi har byggt en väldigt cool platt optisk enhet som verkar helt genomskinlig - som en enkel bit glas - tills du lyser en ljusstråle med rätt våglängd på den, när enheten plötsligt förvandlas till en lins," sa Yu, ledande inom nanofotonikforskning. "För mig är detta optisk magi."
Metaytor
Yus grupp utvecklar platta optiska enheter baserade på metasytor – ultratunna optiska komponenter – för att kontrollera ljusutbredning i fritt utrymme och i optiska vågledare. Metasytor är gjorda av tvådimensionella (2D) arrayer av designade spridare, kallade "optiska antenner" - en liten version av radioantenner som har dimensioner i nanometerskala.
Det viktigaste med metasytor är att de optiska spridarna är olika optiskt. Ljuset de sprider kan ha olika amplitud, fas eller polarisation, så att metasytor kan introducera en rumsligt varierande optisk respons som kan styra ljus på extremt flexibla sätt. Som ett resultat gör metasytor det möjligt att realisera funktioner som konventionellt kräver optiska 3D-komponenter eller enheter med ett mycket större fotavtryck, såsom fokusering eller styrning av ljusstrålar, eller byte av optiska signaler på integrerade fotoniska chips.
Översta raden:(vänster) Illustration som visar funktionen hos en våglängdsselektiv metalens, med "grönt" ljus som fokuseras, medan de andra färgerna passeras utan förvrängning. (Mellan) Optisk bild av en våglängdsselektiv metalen som består av rektangulära öppningar etsade in i en tunn kiselfilm. (Höger) Bilder med svepelektronmikroskop (SEM) av metallen i dess mitt och kant. Nedre raden:En serie tvådimensionella (2D) fjärrfältsskanningar visar att fokusering är mest effektiv i mitten av resonansen, λ=1590 nm, med fokuseringseffektiviteten sjunkande vid de två axlarna av resonansen, λ=1575 nm och 1600 nm, och att fokalfläckarna blir nästan oupptäckbara vid våglängder tiotals nanometer bort från resonansens centrum. Kredit:Nanfang Yu, Stephanie Malek, Adam Overvig/Columbia Engineering
Icke-lokala metasytor
Yus team uppfann en "icke-lokal metayta" som kan manipulera ljusvågor på distinkta sätt vid distinkta riktade våglängder, samtidigt som ljuset vid oriktade våglängder inte påverkas. De nya enheterna utövar både rumslig och spektral kontroll över ljus genom att välja en färg (spektral) och fokusera den (spatial) inte bara på en enda våglängd utan också oberoende på flera olika våglängder.
Till exempel fungerar en demonstrerad enhet både som en konvergerande lins som fokuserar ljus i en färg och som en konkav lins som sprider ljus i en andra färg, samtidigt som den förblir genomskinlig, som en omönstrad glasplatta, när den belyses med ljus vid färger över resten av spektrumet.
Brossar symmetri för att utstråla ljus och forma dess vågfront
Dessa nya enheter härstammar från teoretiska undersökningar av Adam Overvig, en före detta Ph.D. student i Yus grupp och medförfattare till studien, om hur man manipulerar symmetri i fotoniska kristaller (PhC) plattor, såsom en 2D periodisk struktur som är en kvadratisk uppsättning av fyrkantiga hål definierade i en tunn film av kisel. PhC-plattor är kända för att stödja en uppsättning moder, vars frekvenser eller färger bestäms av plattans geometri (t.ex. periodicitet hos gruppen och hålens storlek).
Lägena är i huvudsak ett ljusark som är utsträckt spatialt (icke-lokalt) längs plattan men annars begränsat i riktningen vinkelrätt mot plattan.
Att introducera en symmetribrytande störning till en annars strukturellt repetitiv PhC-platta, till exempel genom att helt enkelt deformera fyrkantiga hål i PhC till rektangulära, sänker graden av symmetri hos PhC så att moderna inte längre är begränsade till plattan:de kan bli upphetsad genom att lysa en ljusstråle från fritt utrymme med rätt färg och kan även stråla tillbaka till fritt utrymme.
Betecknande nog, istället för att tillämpa en enhetlig störning över hela PhC-plattan, varierade forskarna rumsligt störningen och orienterade de rektangulära hålen längs olika riktningar över enheten. På detta sätt skulle ytemissionen från anordningen kunna ha en gjuten vågfront i förhållande till mönstret för rektanglarnas orienteringsvinklar.
Först med att göra linser som fokuserar ljus med bara önskad färg
"Detta är första gången som någon experimentellt har demonstrerat våglängdsselektiva, vågfrontsformande optiska enheter med ett tillvägagångssätt som är baserat på symmetribrytande störningar", förklarade Stephanie Malek, doktorand i Yus grupp som var huvudförfattare till studien .
"Genom att noggrant välja den initiala PhC-geometrin kan vi uppnå våglängdsselektivitet, och genom att skräddarsy orienteringen av störningen som appliceras på PhC kan vi skulptera vågfronten av den valda ljusfärgen. Det betyder att vi kan göra linser som fokuserar ljuset av endast den valda färgen."
Översta raden:(Vänster) Illustration som visar funktionen av en metallens dubblett med tre funktioner. Dubletten kan generera tre distinkta fokalmönster (två fokallinjer vinkelräta mot varandra och en stjärnformad brännpunkt) vid tre olika våglängder, samtidigt som den förblir transparent vid andra våglängder. Dubletten är sammansatt av en kvasi-radial metalens som ett divergerande element och en dubbelfunktion cylindrisk metalens som ett konvergerande element. (Mellan) Optiska bilder av de kvasi-radiala metallerna och de cylindriska metallerna med dubbla funktioner. (Höger) SEM-bilder som visar hörnen på de kvasi-radiala metallerna och de cylindriska metallerna med dubbla funktioner. Nedre raden:En serie 2D-fjärrfältsskanningar som visar de tre fokalmönstren vid l=1 424 nm, 1 492 nm och 1 626 nm och minimal vågfrontsformning över resten av spektrumet. Kredit:Nanfang Yu, Stephanie Malek, Adam Overvig/Columbia Engineering
Den mest multifunktionella och flerfärgade metaytan hittills
Teamet demonstrerade en multifunktionell enhet som formar de optiska vågfronterna oberoende vid fyra distinkta våglängder men fungerar som ett transparent substrat vid andra icke valda våglängder.
Detta gör den till den mest multifunktionella och flerfärgade metaytan som har visats hittills, och antyder också att AR-skärmar i fullfärg i framtiden kan göras genom att oberoende kontrollera några färger av virtuell information.
AR-applikationer
Dessa nya våglängdsselektiva, vågfrontsformande "icke-lokala" metasytor erbjuder en lovande lösning för AR-teknik, inklusive head-up-displayer på framrutan på bilar. Den optiska genomskinliga linsen kan reflektera kontextuell information till betraktarens öga vid utvalda smalbandiga våglängder på miniprojektorn samtidigt som den tillåter en obehindrad, odämpad bredbandsvy av den verkliga världen.
Och eftersom de våglängdsselektiva metasytelinserna är tunnare än ett människohår, är de väl lämpade för att utveckla AR-glasögon som ser ut och känns som bekväma och fashionabla glasögon.
Kvantoptik
Yus platta metasytor kan också användas för att avsevärt minska komplexiteten hos kvantoptikuppsättningar som manipulerar ultrakalla atomer. Eftersom flera laserstrålar vid distinkta våglängder måste kontrolleras oberoende för att kyla, fånga och övervaka kalla atomer, kan dessa uppställningar bli massiva.
Denna komplexitet har gjort det svårt för forskare att i stor utsträckning använda kalla atomer för användning i atomklockor, kvantsimuleringar och beräkningar. Nu, istället för att bygga flera portar runt vakuumkammaren för de kalla atomerna, var och en med sina unika strålformande optiska komponenter, kan en enda metasytenhet användas för att samtidigt forma de flera laserstrålarna som används i experimentet.
Vad är nästa steg:Demonstrera konceptet i synligt spektrum
Enheterna i denna studie kontrollerar samtidigt och oberoende vågfronterna för flera nära-infraröda strålar med nanostrukturerade kiselfilmer. Teamet planerar härnäst att demonstrera konceptet i det synliga spektralområdet, för att helt kontrollera vågfronterna för tre smalbandiga synliga laserstrålar med hjälp av en enhetsplattform med låg absorptionsförlust i det synliga, såsom tunnfilms kiselnitrid och titandioxid.
De undersöker också skalbarheten hos den våglängdsselektiva metasytor genom att inkludera mer än två störningar i en enda metayta och genom att stapla mer än två metasytor i en sammansatt enhet. + Utforska vidare
