Comme le savent tous ceux qui ont récemment essayé un casque de réalité augmentée, la technologie n'est pas encore prête à faire partie de notre quotidien. Les chercheurs ont travaillé pour perfectionner des lunettes de réalité augmentée (AR) hautes performances, mais il existe un certain nombre de défis. Un problème majeur avec les lunettes AR conventionnelles est qu'il existe un compromis en termes de qualité et de luminosité entre la scène externe que vous voyez réellement et les informations contextuelles que vous souhaitez également visualiser.

Les premières solutions telles que Google Glass utilisaient plusieurs composants optiques volumineux partiellement réfléchissants et partiellement transmissifs pour mélanger les scènes du monde réel et contextuelles, avec pour résultat une vision atténuée et déformée des deux scènes.

Les lunettes à affichage monté sur la tête AR plus récentes ont été conçues avec des réseaux de diffraction (rainures fines) avec un espacement de la taille de la longueur d'onde qui dévie les informations contextuelles d'un miniprojecteur à côté des lunettes vers l'œil du spectateur. Mais ces lunettes assombrissent et déforment toujours la scène extérieure car la lumière du monde réel traversant le verre est inévitablement dispersée et dispersée par les grilles. Les distorsions s'aggravent lorsque plusieurs ensembles de réseaux superposés doivent être utilisés pour gérer plusieurs couleurs distinctes du miniprojecteur.

Des lunettes AR qui mélangent parfaitement l'environnement extérieur et les informations contextuelles pour l'œil humain seraient très utiles pour de nombreuses applications. En tant qu'affichage tête haute, la technologie pourrait donner des instructions de navigation à une personne conduisant une voiture ou fournir des données de capteurs au pilote aux commandes d'un avion sans l'obliger à détourner le regard de son pare-brise. En tant que visiocasque, la technologie pourrait permettre aux chirurgiens et aux soldats de visualiser les informations liées à leurs tâches avec une facilité et une efficacité sans précédent.

Le verre doit non seulement être hautement transparent sur presque tout le spectre visible, permettant une vision non atténuée et non déformée du monde extérieur, mais aussi fonctionner comme une lentille très efficace qui concentre la lumière d'un miniprojecteur dans l'œil humain pour former un visuel contexte accompagnant la scène externe du monde réel.

Une étude démontre un nouveau type de verre sélectif en longueur d'onde et façonnant le front d'onde

Des chercheurs de Columbia Engineering rapportent qu'ils ont maintenant inventé ce type de verre. Dirigée par Nanfang Yu, professeur agrégé de physique appliquée et de mathématiques appliquées, l'équipe a créé un dispositif optique plat qui ne focalise que quelques couleurs de lumière à bande étroite sélectionnées tout en restant transparent à la lumière non sélectionnée sur la grande majorité du spectre. L'article a été publié en ligne le 8 août 2022 par Light :Science &Applications .

"Nous avons construit un appareil optique plat très cool qui apparaît entièrement transparent - comme un simple morceau de verre - jusqu'à ce que vous projetiez dessus un faisceau de lumière avec la bonne longueur d'onde, lorsque l'appareil se transforme soudainement en lentille", a déclaré Yu, chef de file de la recherche en nanophotonique. "Pour moi, c'est de la magie optique."

Métasurfaces

Le groupe de Yu développe des dispositifs optiques plats basés sur des métasurfaces - des composants optiques ultra-minces - pour contrôler la propagation de la lumière dans l'espace libre et dans les guides d'ondes optiques. Les métasurfaces sont constituées de réseaux bidimensionnels (2D) de diffuseurs de conception, appelés "antennes optiques", une version minuscule des antennes radio qui ont des dimensions à l'échelle nanométrique.

La principale caractéristique des métasurfaces est que les diffuseurs optiques sont tous optiquement différents. La lumière qu'ils diffusent peut avoir une amplitude, une phase ou une polarisation différente, de sorte que les métasurfaces peuvent introduire une réponse optique variable dans l'espace qui peut contrôler la lumière de manière extrêmement flexible. De ce fait, les métasurfaces permettent de réaliser des fonctionnalités qui nécessitent classiquement des composants ou des dispositifs optiques 3D avec un encombrement beaucoup plus important, comme la focalisation ou l'orientation de faisceaux lumineux, ou la commutation de signaux optiques sur des puces photoniques intégrées.

Métasurfaces non locales

L'équipe de Yu a inventé une "métasurface non locale" qui peut manipuler les ondes lumineuses de manière distincte à des longueurs d'onde ciblées distinctes, tout en laissant la lumière à des longueurs d'onde non ciblées inchangée. Les nouveaux appareils exercent un contrôle à la fois spatial et spectral sur la lumière en sélectionnant une couleur (spectrale) et en la concentrant (spatiale) non seulement sur une seule longueur d'onde, mais également indépendamment sur plusieurs longueurs d'onde différentes.

Par exemple, un appareil démontré fonctionne à la fois comme une lentille convergente qui focalise la lumière sur une couleur et comme une lentille concave qui disperse la lumière sur une deuxième couleur, tout en restant transparente, comme une dalle de verre sans motif, lorsqu'elle est éclairée par une lumière de couleurs sur le reste du spectre.

Briser la symétrie pour rayonner la lumière et façonner son front d'onde

Ces nouveaux appareils sont issus des explorations théoriques d'Adam Overvig, ancien Ph.D. étudiant dans le groupe de Yu et co-auteur de l'étude, sur la façon de manipuler la symétrie dans les dalles de cristal photonique (PhC), comme une structure périodique 2D qui est un réseau carré de trous carrés définis dans un film mince de silicium. Les dalles PhC sont connues pour prendre en charge un ensemble de modes, dont les fréquences ou les couleurs sont déterminées par la géométrie de la dalle (par exemple, la périodicité du réseau et la taille des trous).

Les modes sont essentiellement une nappe de lumière étendue dans l'espace (non locale) le long de la dalle mais autrement confinée dans la direction normale à la dalle.

L'introduction d'une perturbation de rupture de symétrie dans une dalle PhC par ailleurs structurellement répétitive, par exemple simplement en déformant les trous carrés du PhC en trous rectangulaires, abaisse le degré de symétrie du PhC de sorte que les modes ne sont plus confinés à la dalle :ils peuvent être excité en faisant briller un faisceau de lumière depuis l'espace libre avec la bonne couleur et peut également rayonner dans l'espace libre.

De manière significative, au lieu d'appliquer une perturbation uniforme sur l'ensemble de la dalle PhC, les chercheurs ont fait varier la perturbation dans l'espace, en orientant les trous rectangulaires dans différentes directions sur l'appareil. De cette manière, l'émission de surface de l'appareil pourrait avoir un front d'onde moulé par rapport au motif des angles d'orientation des rectangles.

Les premiers à fabriquer des lentilles qui concentrent la lumière de la couleur souhaitée uniquement

"C'est la première fois que quelqu'un fait la démonstration expérimentale de dispositifs optiques sélectifs en longueur d'onde et façonnant le front d'onde en utilisant une approche basée sur des perturbations brisant la symétrie", a expliqué Stephanie Malek, doctorante dans le groupe de Yu et auteur principal de l'étude. .

"En choisissant soigneusement la géométrie initiale du PhC, nous pouvons obtenir une sélectivité en longueur d'onde, et en adaptant les orientations de la perturbation appliquée au PhC, nous pouvons sculpter le front d'onde de la couleur de lumière sélectionnée. Cela signifie que nous pouvons fabriquer des lentilles qui focalisent la lumière. uniquement de la couleur sélectionnée."

La métasurface la plus multifonctionnelle et la plus multicolore à ce jour

L'équipe a démontré un dispositif multifonctionnel qui façonne les fronts d'onde optiques indépendamment à quatre longueurs d'onde distinctes mais agit comme un substrat transparent à d'autres longueurs d'onde non sélectionnées.

Cela en fait la métasurface la plus multifonctionnelle et la plus multicolore qui ait été démontrée jusqu'à présent, et suggère également qu'à l'avenir, des affichages AR en couleur pourront être réalisés en contrôlant indépendamment quelques couleurs d'informations virtuelles.

Applications de RA

Ces nouvelles métasurfaces "non locales" sélectives en longueur d'onde et façonnant le front d'onde offrent une solution prometteuse pour les technologies AR, y compris les affichages tête haute sur le pare-brise avant des voitures. La lentille optique transparente peut refléter des informations contextuelles à l'œil du spectateur à des longueurs d'onde à bande étroite sélectionnées du miniprojecteur tout en permettant également une vue à large bande non obstruée et non atténuée du monde réel.

Et, comme les lentilles de métasurface sélectives en longueur d'onde sont plus fines qu'un cheveu humain, elles sont bien adaptées au développement de lunettes AR qui ressemblent et se sentent comme des lunettes confortables et à la mode.

Optique quantique

Les métasurfaces plates de Yu peuvent également être utilisées pour réduire considérablement la complexité des configurations d'optique quantique qui manipulent des atomes ultrafroids. Étant donné que plusieurs faisceaux laser à des longueurs d'onde distinctes doivent être contrôlés indépendamment pour le refroidissement, le piégeage et la surveillance des atomes froids, ces configurations peuvent devenir massives.

Cette complexité a rendu difficile pour les chercheurs d'adopter largement des atomes froids pour les utiliser dans les horloges atomiques, les simulations quantiques et les calculs. Désormais, au lieu de construire plusieurs ports autour de la chambre à vide pour les atomes froids, chacun avec ses composants optiques de mise en forme de faisceau uniques, un seul dispositif de métasurface peut être utilisé pour façonner simultanément les multiples faisceaux laser utilisés dans l'expérience.

Et ensuite :Démonstration du concept dans la gamme du spectre visible

Les dispositifs de cette étude contrôlent simultanément et indépendamment les fronts d'onde de plusieurs faisceaux dans le proche infrarouge à l'aide de couches minces de silicium nanostructurées. L'équipe prévoit ensuite de démontrer le concept dans la gamme spectrale visible, afin de contrôler entièrement les fronts d'onde de trois faisceaux laser visibles à bande étroite à l'aide d'une plate-forme de dispositif présentant une faible perte d'absorption dans le visible, comme le nitrure de silicium en couche mince et le dioxyde de titane.

Ils explorent également l'évolutivité de la plate-forme de métasurface sélective en longueur d'onde en incluant plus de deux perturbations dans une seule métasurface et en empilant plus de deux métasurfaces dans un dispositif composé. + Explorer plus loin

Métasurface conçue pour créer trois images différentes en fonction de l'éclairage