Rice University fotonikforskare har skapat en potentiellt störande teknologi för marknaden för ultraviolett optik.

Genom att exakt etsa hundratals små trianglar på ytan av en mikroskopisk film av zinkoxid, skapade nanofotonikpionjären Naomi Halas och kollegor en "metaller" som omvandlar inkommande långvågig UV (UV-A) till en fokuserad uteffekt av vakuum UV (VUV). ) strålning. VUV används inom halvledartillverkning, fotokemi och materialvetenskap och har historiskt sett varit dyrt att arbeta med, delvis för att det absorberas av nästan alla typer av glas som används för att tillverka konventionella linser.

"Detta arbete är särskilt lovande i ljuset av de senaste demonstrationerna att chiptillverkare kan skala upp produktionen av metasytor med CMOS-kompatibla processer", säger Halas, medförfattare till en metalens demonstrationsstudie publicerad i Science Advances . "Detta är en grundläggande studie, men den pekar tydligt på en ny strategi för högkapacitetstillverkning av kompakta VUV-optiska komponenter och enheter."

Halas team visade att dess mikroskopiska metalens kunde omvandla 394 nanometer UV till en fokuserad effekt på 197 nanometer VUV. Den skivformade metalensen är ett genomskinligt ark av zinkoxid som är tunnare än ett pappersark och bara 45 miljondelar av en meter i diameter. I demonstrationen lyste en 394 nanometer UV-A-laser på baksidan av skivan och forskare mätte ljuset som kom ut från andra sidan.

Studiens första författare Catherine Arndt, doktorand i tillämpad fysik i Halas forskargrupp, sa att nyckelfunktionen hos metalens är dess gränssnitt, en frontyta som är översållad med koncentriska cirklar av små trianglar.

"Gränssnittet är där all fysik händer," sa hon. "Vi förmedlar faktiskt en fasförskjutning, och ändrar både hur snabbt ljuset rör sig och riktningen det rör sig. Vi behöver inte samla ljuseffekten eftersom vi använder elektrodynamik för att omdirigera det till gränssnittet där vi genererar det."

Violett ljus har den lägsta våglängden som är synlig för människor. Ultraviolett har ännu lägre våglängder, som sträcker sig från 400 nanometer till 10 nanometer. Vakuum UV, med våglängder mellan 100-200 nanometer, kallas så för att det absorberas starkt av syre. Att använda VUV-ljus idag kräver vanligtvis en vakuumkammare eller annan specialiserad miljö, samt maskiner för att generera och fokusera VUV.

"Konventionella material genererar vanligtvis inte VUV," sa Arndt. "Den tillverkas idag med olinjära kristaller, som är skrymmande, dyra och ofta exportkontrollerade. Resultatet är att VUV är ganska dyrt."

I tidigare arbete har Halas, Rice fysiker Peter Nordlander, tidigare Rice Ph.D. Student Michael Semmlinger och andra visade att de kunde omvandla 394 nanometer UV till 197 nanometer VUV med en zinkoxidmetayta. Liksom metallerna var metaytan en transparent film av zinkoxid med en mönstrad yta. Men det erforderliga mönstret var inte lika komplext eftersom det inte behövde fokusera ljuseffekten, sa Arndt.

"Metalenses drar fördel av det faktum att ljusets egenskaper förändras när det träffar en yta", sa hon. "Till exempel färdas ljus snabbare genom luft än det gör genom vatten. Det är därför du får reflektioner på ytan av en damm. Vattnets yta är gränssnittet, och när solljus träffar gränsytan reflekteras lite av det. "

Det tidigare arbetet visade att en metayta kunde producera VUV genom att uppkonvertera långvågig UV via en frekvensfördubblingsprocess som kallas second-harmonic generation. Men VUV är dyrt, delvis eftersom det är dyrt att manipulera efter att det har producerats. Kommersiellt tillgängliga system för det kan fylla skåp så stora som kylskåp eller kompakta bilar och kostar tiotusentals dollar, sa hon.

"För en metalens försöker du både generera ljuset och manipulera det," sa Arndt. "I den synliga våglängdsregimen har metalens teknik blivit mycket effektiv. Virtual reality-headset använder det. Metalenses har också demonstrerats de senaste åren för synliga och infraröda våglängder, men ingen hade gjort det vid kortare våglängder. Och mycket material absorberar VUV. Så för oss var det bara en övergripande utmaning att se, 'Kan vi göra det här?'"

För att tillverka metalens arbetade Arndt med den medkorresponerande författaren Din Ping Tsai från City University of Hong Kong, som hjälpte till att producera den intrikata metalens-ytan, och med tre förstaförfattare:Semmlinger, som tog examen från Rice 2020, Ming Zhang, som tog examen från Rice 2021 och Ming Lun Tseng, en biträdande professor vid Taiwans National Yang Ming Chiao Tung University.

Tester på Rice visade att metalens kunde fokusera sin 197 nanometer uteffekt på en punkt som mätte 1,7 mikron i diameter, vilket ökade effekttätheten för ljusuttaget med 21 gånger.

Arndt sa att det är för tidigt att säga om tekniken kan konkurrera med toppmoderna VUV-system.

"Det är verkligen grundläggande i det här skedet," sa hon. "Men det har en hel del potential. Det skulle kunna göras mycket mer effektivt. Med den här första studien var frågan "Fungerar det?" I nästa fas kommer vi att fråga:'Hur mycket bättre kan vi göra det?'" + Utforska vidare

Rekordbrytande metalens kan revolutionera optisk teknik