Il design della metasuperficie può controllare i campi ottici in tre dimensioni

Un team guidato da scienziati dell’Università di Washington ha progettato e testato una metasuperfice stampata in 3D in grado di manipolare la luce con precisione su scala nanometrica. Come riportano in un articolo pubblicato il 4 ottobre sulla rivista Science Advances, il loro elemento ottico progettato focalizza la luce verso punti discreti in uno schema elicoidale 3D.
I principi di progettazione del team e i risultati sperimentali dimostrano che è possibile modellare e costruire dispositivi metamateriali in grado di manipolare con precisione campi ottici con elevata risoluzione spaziale in tre dimensioni. Sebbene il team abbia scelto un modello elicoidale, un’elica a spirale,per consentire al proprio elemento ottico di focalizzare la luce, il loro approccio potrebbe essere utilizzato per progettare elementi ottici che controllano e focalizzano la luce in altri modelli.

La metasuperfice in 3D

I dispositivi con questo livello di controllo di precisione sulla luce potrebbero essere utilizzati non solo per miniaturizzare gli elementi ottici odierni, come lenti o catadiottri, ma anche per realizzare nuove varietà. Inoltre, la progettazione di campi ottici in tre dimensioni potrebbe consentire la creazione di sensori di profondità ultracompatti per il trasporto autonomo, nonché elementi ottici per display e sensori in cuffie con realtà virtuale o aumentata.

“Questo dispositivo segnalato non ha davvero un analogo classico nell’ottica rifrattiva, l’ottica che incontriamo nella nostra vita quotidiana”, ha detto la corrispondente autrice Arka Majumdar, assistente assistente UW di ingegneria elettrica e informatica e fisica, e membro di facoltà presso l’Istituto UW per i sistemi nano-ingegnerizzati e l’Istituto di scienze molecolari e ingegneristiche. “Nessuno ha mai realizzato un dispositivo come questo prima con questo set di funzionalità.”

Il team, che comprende ricercatori dell’Air Force Research Laboratory e dell’Università di Dayton Research Institute, ha adottato un approccio meno utilizzato nel campo dei metamateriali ottici per progettare l’elemento ottico: il design inverso. Usando il design inverso, hanno iniziato con il tipo di profilo del campo ottico che volevano generare, otto punti luce focalizzati in uno schema elicoidale – e hanno progettato una superficie metamateriale che avrebbe creato quel modello.

“Non sempre conosciamo intuitivamente la struttura appropriata di un elemento ottico data una funzionalità specifica”, ha detto Majumdar. “È qui che entra in gioco il design inverso: hai lasciato che l’algoritmo progettasse l’ottica.”