Forskare från University of Illinois i Urbana-Champaign har utvecklat en förenklad metod för att tillverka platt, ultratunn optik. Den nya metoden möjliggör enkel etsning utan användning av syror eller farliga kemiska etsmedel.

"Vår metod för oss närmare att göra gör-det-själv-optik till verklighet genom att avsevärt förenkla design iterationsstegen, " förklarade Kimani Toussaint, en docent i mekanisk vetenskap och teknik som ledde forskningen som publicerades denna vecka i Naturkommunikation . "Processen innehåller en nanostrukturerad mall som kan användas för att skapa många olika typer av optiska komponenter utan att behöva gå in i ett renrum för att göra en ny mall varje gång en ny optisk komponent behövs.

"Under de senaste åren har satsningen för att främja ökad teknisk innovation och grundläggande vetenskapligt och ingenjörsintresse från samhällets bredaste sektorer har bidragit till att påskynda utvecklingen av gör-det-själv-komponenter, särskilt de som är relaterade till lågkostnadsmikrokontrollerkort, ", påpekade Toussaint. "Att förenkla och minska stegen mellan en grundläggande design och tillverkning är den främsta attraktionen för gör-det-själv-kit, men vanligtvis på bekostnad av kvalitet. Vi presenterar plasmonassisterad etsning som ett tillvägagångssätt för att utöka DIY-temat till optik med endast en blygsam kompromiss i kvalitet, specifikt, bordsskiva tillverkning av plana optiska komponenter."

"Vår metod använder de intuitiva designaspekterna av diffraktiv optik genom enkel ytmodifiering, och de elektriska fältförbättrande egenskaperna hos metallnanoantenner, som vanligtvis är byggstenarna i metasytor, " sa Hao Chen, en före detta postdoktor i Toussaints labb och första författare till artikeln, "Mot gör-det-själv plana optiska komponenter med plasmonassisterad etsning."

Enligt Chen, laserljus skannar mallen – en 2D-uppsättning av guldpelare-stödda nanoantenner (med en yta på 80 x 80 kvadratmikrometer) – som är nedsänkt i vatten, i ett önskat mönster i ett mikroskop. Interaktionen mellan ljus och materia, förstärkt av nanoantennerna, ger en stark värmeeffekt. Som ett resultat, guldskiktet på nanoantennerna genomgår termisk expansion som motverkar dess vidhäftning med deras glassubstrat. Med en viss mängd optisk kraft, kraften som tillhandahålls av termisk expansion gör att guldskiktet bryts loss från substratet, etsning av metallen.

"Övergripande, arbetsbelastningen i renrummet minskar kraftigt, " Chen noterade. "När mallen är klar, det är som ett pappersark. Du kan "rita" alla optiska element du behöver på en "canvas" med hjälp av ett konventionellt laserscannande optiskt mikroskop."

Studien visade tillverkning av olika ultratunna (karakteristiska dimensioner mindre än den optiska våglängden), platta optiska komponenter med samma mall. De specifika optiska komponenterna som tillverkades av forskarna inkluderade en platt fokuseringslins (även känd som en Fresnel-zonplatta) med brännvidd på ~150 mikrometer, ett diffraktionsgitter, och en holografisk omvandlare som ger vinkelmoment till en standard optisk stråle.

Enligt forskarna, PAE-metoden och en specialiserad mall kan också användas för att möjliggöra preferensinfångning och sortering av partiklar, att skapa så kallade optofluidiska kanaler "utan väggar."

Toussaint leder PROBE-laboratoriet vid Institutionen för mekanisk vetenskap och teknik i Illinois. Förutom Toussaint och Chen, Medförfattare till studien inkluderar doktoranden Qing Ding, före detta doktorand Abdul Bhuiya, och Harley T. Johnson, professor i mekanisk vetenskap och teknik vid Illinois.