Une équipe dirigée par des scientifiques de l'Université de Washington a conçu et testé un métamatériau imprimé en 3D qui peut manipuler la lumière avec une précision à l'échelle nanométrique. Comme ils le rapportent dans un article publié le 4 octobre dans la revue Avancées scientifiques , leur élément optique conçu concentre la lumière sur des points discrets dans un motif hélicoïdal 3-D.

Les principes de conception et les résultats expérimentaux de l'équipe démontrent qu'il est possible de modéliser et de construire des dispositifs en métamatériaux capables de manipuler avec précision les champs optiques avec une résolution spatiale élevée en trois dimensions. Bien que l'équipe ait choisi un motif hélicoïdal - une hélice en spirale - pour que leur élément optique concentre la lumière, leur approche pourrait être utilisée pour concevoir des éléments optiques qui contrôlent et focalisent la lumière dans d'autres motifs.

Les appareils avec ce niveau de contrôle de précision sur la lumière pourraient être utilisés non seulement pour miniaturiser les éléments optiques d'aujourd'hui, tels que des lentilles ou des rétroréflecteurs, mais aussi de réaliser de nouvelles variétés. En outre, la conception de champs optiques en trois dimensions pourrait permettre la création de capteurs de profondeur ultra-compacts pour le transport autonome, ainsi que des éléments optiques pour écrans et capteurs dans des casques de réalité virtuelle ou augmentée.

"Cet appareil rapporté n'a vraiment pas d'analogue classique en optique réfractive - l'optique que nous rencontrons dans notre vie de tous les jours, " a déclaré l'auteur correspondant Arka Majumdar, un professeur assistant de l'UW en génie électrique et informatique et en physique, et membre du corps professoral de l'UW Institute for Nano-Engineered Systems et de l'Institute for Molecular &Engineering Sciences. "Personne n'a vraiment fabriqué un appareil comme celui-ci auparavant avec cet ensemble de capacités."

L'équipe, qui comprend des chercheurs de l'Air Force Research Laboratory et de l'Université de Dayton Research Institute, a adopté une approche moins utilisée dans le domaine des métamatériaux optiques pour concevoir l'élément optique :la conception inverse. En utilisant la conception inverse, ils ont commencé avec le type de profil de champ optique qu'ils voulaient générer - huit points de lumière focalisés dans un motif hélicoïdal - et ont conçu une surface en métamatériau qui créerait ce motif.

"Nous ne connaissons pas toujours intuitivement la structure appropriée d'un élément optique compte tenu d'une fonctionnalité spécifique, " a déclaré Majumdar. " C'est là qu'intervient la conception inverse :vous laissez l'algorithme concevoir l'optique. "

Bien que cette approche semble simple et évite les inconvénients des méthodes de conception par essais et erreurs, la conception inverse n'est pas largement utilisée pour les métamatériaux optiquement actifs à grande surface car elle nécessite un grand nombre de simulations, rendant la conception inverse intensive en calcul.

Ici, l'équipe a évité cet écueil grâce à une perspicacité d'Alan Zhan, auteur principal sur le papier, qui a récemment obtenu un doctorat en physique de l'UW. Zhan s'est rendu compte que l'équipe pouvait utiliser la théorie de la diffusion de Mie pour concevoir l'élément optique. La diffusion de Mie décrit comment les ondes lumineuses d'une longueur d'onde particulière sont diffusées par des sphères ou des cylindres de taille similaire à la longueur d'onde optique. La théorie de la diffusion de Mie explique comment les nanoparticules métalliques dans le vitrail peuvent donner à certaines fenêtres d'église leurs couleurs vives, et comment d'autres artefacts de vitrail changent de couleur dans différentes longueurs d'onde de la lumière, selon Zhan.

« Notre implémentation de la théorie de la diffusion de Mie est spécifique à certaines formes (les sphères), ce qui signifie que nous avons dû incorporer ces formes dans la conception de l'élément optique, " dit Zhan. " Mais, s'appuyer sur la théorie de la diffusion de Mie a considérablement simplifié le processus de conception et de simulation car nous pouvions rendre très spécifiques, calculs très précis sur les propriétés de la lumière lorsqu'elle interagit avec l'élément optique."

Leur approche pourrait être utilisée pour inclure différentes géométries telles que des cylindres et des ellipsoïdes.

L'élément optique que l'équipe a conçu est essentiellement une surface recouverte de milliers de minuscules sphères de différentes tailles, disposés en un réseau carré périodique. L'utilisation de sphères a simplifié la conception, et l'équipe a utilisé une imprimante 3D disponible dans le commerce pour fabriquer deux prototypes d'éléments optiques - le plus grand des deux avec des côtés de seulement 0,02 centimètre de long - à l'installation de nanofabrication de Washington sur le campus de l'UW. Les éléments optiques ont été imprimés en 3D à partir d'un époxy ultraviolet sur des surfaces en verre. Un élément a été conçu pour focaliser la lumière à 1, 550 nanomètres, l'autre à 3, 000 nanomètres.

Les chercheurs ont visualisé les éléments optiques au microscope pour voir à quel point ils fonctionnaient comme prévu - en focalisant la lumière de l'un ou l'autre de 1, 550 ou 3, 000 nanomètres en huit points spécifiques le long d'un motif hélicoïdal 3-D. Sous le microscope, les points lumineux les plus focalisés se trouvaient aux positions prédites par les simulations théoriques de l'équipe. Par exemple, pour le 1, Dispositif de longueur d'onde de 550 nanomètres, six des huit points focaux étaient dans la position prévue. Les deux autres ne présentaient que des écarts mineurs.

Avec la haute performance de leurs prototypes, l'équipe souhaite améliorer le processus de conception pour réduire les niveaux de lumière de fond et améliorer la précision du placement des points focaux, et d'incorporer d'autres éléments de conception compatibles avec la théorie de la diffusion de Mie.

« Maintenant que nous avons montré que les principes de conception de base fonctionnent, il y a beaucoup de directions que nous pouvons aller avec ce niveau de précision dans la fabrication, " dit Majumdar.

Une direction particulièrement prometteuse est de progresser au-delà d'une seule surface pour créer un vrai volume, métamatériau 3D.

"L'impression 3D nous permet de créer un empilement de ces surfaces, ce qui n'était pas possible avant, " dit Majumdar.