Группа физиков из США разработала многослойное зеркало, которое, в отличие от обычных зеркал, при отражении не меняет направление круговой поляризации света. Благодаря использованию периодического массива несимметричных отверстий в одном из слоев, поляризованный свет, закрученный в одну сторону, полностью поглощается, а закрученный в другую — отражается с сохранением поляризации, сообщают авторы работы, опубликованной в NanoLetters.

Вектор напряженности электрического поля в случае круговой поляризации может вращаться по или против часовой стрелки. Поэтому при распространении светового пучка он движется по правозакрученной или левозакрученной спирали. При отражении пучка поляризованного света под прямым углом от обычного плоского зеркала направление вращения вектора напряженности меняется на противоположное, превращая право-поляризованный свет и лево-поляризованным и наоборот.

Lei Kang et al./ NanoLetters, 2017

Группа физиков под руководством Вэньшаня Цая (Wenshan Cai) из Технологического Института Джорджии предложила конфигурацию зеркала, которое при отражении поляризованного света не меняет направление его поляризации. Для такого устройства авторы работы предложили использовать искусственный метаматериал, у которого оптические свойства определяются не химическим составом, а его геометрией. Обычную отражающую поверхность из серебра покрыли слоем оксида алюминия толщиной около 150 нанометров. После этого поверх оксида алюминия химики нанесли слой золота толщиной 50 нанометров, в котором с помощью литографии сделали периодический массив из прямоугольных областей с вырезами в двух из четырех углов.

Схема двух типов ячеек хиральных мета-зеркал. Lei Kang et al./ NanoLetters, 2017

За счет своей несимметричной геометрии вырезов и наличию двух отражающей плоскостей такая многослойная поверхность ведет себя как метаматериал и по-разному влияет на поляризованный свет, в котором вектор напряженности вращается по часовой стрелке или против нее. При этом возможно две конфигурации зеркала с вырезами по разным углам отверстий.

Оказалось, что зеркало первого типа полностью поглощает левозакрученный свет и не изменяет поляризацию правозакрученного, а зеркало второго типа ведет себя ровно наоборот. Обычное зеркало полностью отражает оба типа света с круговой поляризацией, и при этом меняет направление вращения вектора напряженности поля.

Эффективность таких зеркал была показана для света с круговой поляризацией с длиной волны от 770 до 910 нанометров. При этом свет с линейной поляризацией от разработанных хиральных мета-зеркал отражается полностью.

Слева изображена схема отражения поляризованного света от обычного зеркала и двух хиральных зеркал разного типа, справа — картина отражения света от поверхности, состоящей из нескольких типов зеркал. Ладонь сделана из хирального зеркала одного типа, а область вокруг нее — из зеркала другого типа. Lei Kang et al./ NanoLetters, 2017

Для наглядности ученые провели дополнительный эксперимент, в котором образец зеркала состоял из трех областей: двух хиральных зеркал разного типа и обычного зеркала. Такой материал физики облучали поляризованным светом и определяли изменение поляризации при отражении. В результате, в зависимости от изначально поляризации света, часть зеркала полностью поглощала свет, а часть — отражала. При смене поляризации картина менялась на противоположную.

По словам ученых, использование таких зеркал позволит повысить эффективность биосенсоров и устройств, в которых информация передается с помощью электрооптических методов, чувствительных к поляризации света.

Естественным метаматериалом с похожими свойствами является поверхность крыльев некоторых жуков: она отражает левозакрученный свет, сохраняя его поляризацию, и поглощает право-закрученный. Поляризация света используется учеными для различных целей: например, она позволяет записать несколько изображений на одну поверхность, а также является источником информации о вращении звезд.

Автор: Александр Дубов