Le schéma montre deux manières différentes dont la lumière blanche interagit avec un appareil nouvellement développé, un filtre de couleur directionnel réglé avec des rainures qui ne sont pas uniformément espacées. Lorsque la lumière blanche illumine le côté à motifs de l'appareil métallique compact sous trois angles différents - dans ce cas, 0° degrés, 10° et 20° -- l'appareil transmet la lumière au rouge, longueurs d'onde vertes et bleues, respectivement. Lorsque la lumière blanche incidente à n'importe quel angle éclaire l'appareil du côté sans motif, il sépare la lumière dans les trois mêmes couleurs, et envoie chaque couleur dans des directions différentes correspondant aux mêmes angles respectifs. Crédit :NIST
Imaginez un appareil miniature qui imprègne chaque pièce de votre maison d'une teinte différente de l'arc-en-ciel :violet pour le salon, peut-être, bleu pour la chambre, vert pour la cuisine. Une équipe dirigée par des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) a, pour la première fois, développé des dispositifs à l'échelle nanométrique qui divisent la lumière blanche incidente en ses couleurs composantes en fonction de la direction de l'éclairage, ou dirige ces couleurs vers un ensemble prédéterminé d'angles de sortie.
Vu de loin, le dispositif, appelé filtre de couleur directionnel, ressemble à un réseau de diffraction, une surface métallique plate contenant des rainures ou des fentes parallèles qui divisent la lumière en différentes couleurs. Cependant, contrairement à une grille, les rainures à l'échelle du nanomètre gravées dans le film métallique opaque ne sont pas périodiques - pas également espacées. Il s'agit soit d'un ensemble de lignes rainurées soit de cercles concentriques dont l'espacement varie, beaucoup plus petite que la longueur d'onde de la lumière visible. Ces propriétés réduisent la taille du filtre et lui permettent d'effectuer beaucoup plus de fonctions qu'un réseau.
Par exemple, l'appareil n'est pas uniforme, ou apériodique, la grille peut être adaptée pour envoyer une longueur d'onde particulière de la lumière à n'importe quel endroit souhaité. Le filtre a plusieurs applications prometteuses, y compris la génération de rouge rapproché, pixels de couleur verte et bleue pour les écrans, récolter l'énergie solaire, détecter la direction de la lumière entrante et mesurer l'épaisseur des revêtements ultrafins placés au sommet du filtre.
En plus de filtrer sélectivement la lumière blanche entrante en fonction de l'emplacement de la source, le filtre peut également fonctionner d'une seconde manière. En mesurant le spectre des couleurs passant à travers un filtre conçu sur mesure pour dévier des longueurs d'onde spécifiques de la lumière à des angles spécifiques, les chercheurs peuvent localiser l'emplacement d'une source de lumière inconnue frappant l'appareil. Cela pourrait être essentiel pour déterminer si cette source, par exemple, est un laser dirigé vers un avion.
"Notre filtre directionnel, avec son architecture apériodique, peut fonctionner de plusieurs manières qui ne sont fondamentalement pas réalisables avec un appareil tel qu'une grille, qui a une structure périodique, " a déclaré le physicien du NIST Amit Agrawal. " Avec cet appareil conçu sur mesure, nous sommes capables de manipuler plusieurs longueurs d'onde de lumière simultanément."
Matthew Davis et Wenqi Zhu du NIST et de l'Université du Maryland, avec Agrawal et le physicien du NIST Henri Lezec, ont décrit leur travail dans la dernière édition de Communication Nature . Le travail a été réalisé en collaboration avec l'Université de Syracuse et l'Université de Nanjing en Chine.
Le fonctionnement du filtre de couleur directionnel repose sur l'interaction entre les particules de lumière entrantes (photons) et la mer d'électrons qui flotte à la surface d'un métal. Les photons frappant la surface métallique créent des ondulations dans cette mer d'électrons, générant un type spécial d'onde lumineuse, les plasmons, qui a une longueur d'onde beaucoup plus petite que la source lumineuse d'origine.
La conception et le fonctionnement des dispositifs apériodiques ne sont pas aussi intuitifs et simples que leurs homologues périodiques. Cependant, Agrawal et ses collègues ont développé un modèle simple pour concevoir ces appareils. L'auteur principal Matthew Davis a expliqué, "ce modèle nous permet de prédire rapidement la réponse optique de ces conceptions apériodiques sans compter sur une approximation numérique fastidieuse, diminuant ainsi considérablement le temps de conception afin que nous puissions nous concentrer sur la fabrication et les tests de l'appareil."
