Vývoj prvního na světě ultra-tenkého, bipolárního meta-objektivu byl úspěšně dokončen

2013-03-14_EBL

Prof. Dr. Thomas Zentgraf, vedoucí skupiny „Ultraschnelle nanofotonika“ na Fakulta fyziky na Univerzitě Paderborn, a Dr. Shuang Zhang, vedoucí týmu na Univerzitě Birmingham, společně vyvinuli první ultra-tenkou čočku na světě pro viditelné světlo.

Na rozdíl od běžných broušených skleněných čoček je nová čočka plochá a extrémně tenká. Je pouze 20 až 30 nanometrů (nm) tlustá, tedy 0,00002 až 0,00003 mm. Lidský vlas je přitom zhruba 2 000krát silnější.

Čočka je vyrobena z nového takzvaného metamateriálu, což je kombinace skla a zlata, která zvětšuje nebo zmenšuje objekty v závislosti na druhu dopadajícího světla, tj. jeho stavu polarizace. „Meta-čočka ukazuje, jaké potenciály lze odhalit s pomocí nových optických materiálů k velmi efektivnímu cílenému ovlivňování světla,“ říká Thomas Zentgraf: „Otevírá to flexibilní nové možnosti pro vytváření speciálních vlastností materiálů, protože strukturu povrchu lze libovolně měnit.“

Meta-čočka může být využita v součástkách pro fotoniku a díky svému plochému tvaru umožňuje velmi kompaktní konstrukci, například v integrovaných optických obvodech nebo při tvarování paprsku světla z LED diod. Další možné aplikace jsou v biofyzice, například pro takzvanou „optickou pinzetu“. U této aplikace může meta-čočka vytvořit speciální profil světelného paprsku, s jehož pomocí lze objekty „chytit“ a upevnit. A pro budoucí vývoj kvantových počítačů by mohla čočka převzít funkci tranzistorů, pokud bude využívána jako „světelný spínač“.

Metamateriál nové čočky je tvořen uměle vytvořenou mikroskopickou strukturou. Na skleněném nosiči jsou pomocí elektronové litografie vytvářeny zlaté tyčinky dlouhé 100 až 200 nm. V závislosti na jejich orientaci ovlivňují dopadající světlo jako malé antény lokálně odlišně. Díky tomu lze dosáhnout efektu běžné rozptylové nebo soustředné čočky. Pokud na meta-čočku dopadne kruhově polarizované světlo vpravo, působí jako zaostřující. Při kruhové polarizaci vlevo je paprsek rozptýlen, tedy rozostřen. Vlastnost meta-čočky (zaostřující nebo rozostřující) lze tak jednoduše změnit změnou vibračního stavu světla, na rozdíl od klasické čočky, jejíž vlastnosti jsou pevně dané.

Protože velikost zlatých tyčinek v čočce musí být přizpůsobena barvě, tedy vlnové délce používaného světla, jsou struktury na čočce odpovídajícím způsobem velmi malé. „Na konci spektra viditelného světla jsme testovali při cca 700 nm,“ říká Thomas Zentgraf: „Tady se pohybujeme na hranici současných technických možností elektronové litografie, ale i to se bude dále vyvíjet.“

Prof. Dr. Thomas Zentgraf vede na Fakultě fyziky na Univerzitě Paderborn skupinu „Ultraschnelle Nanophotonik“ a je členem Centra optoelektroniky a fotoniky Paderborn (CeOPP). Jeho skupina se zabývá vývojem umělých optických materiálů a nových konceptů ovlivňování šíření světla. Originální publikace je dostupná na internetu: http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n11/full/ncomms2207.html