Международная исследовательская группа впервые экспериментально получила диэлектрические метаповерхности для преобразования света в нелинейном режиме. Они представляют собой тонкие пленки из кремниевых наночастиц разных размеров, определенным образом расположенных на стеклянной подложке. Используя эти метаповерхности, ученые научились эффективно преобразовывать инфракрасное излучение в видимый свет. При этом удалось реализовать дополнительные функции: отклонение луча на заданный угол, а также изменение поляризации света. Результаты опубликованы в журнале Nano Letters.

Метаповерхности – это тонкие пленки из материалов с периодической наноструктурой из отверстий или частиц на подложке. Их начали изучать более 10 лет назад, но только современное оборудование позволило получить качественные экспериментальные образцы. Метаповерхности делают из металлов и диэлектриков, например, из кремния. Оба материала используются для решения задач обычной, линейной оптики. Но когда возникает необходимость сменить частоту светового сигнала, то есть перейти в нелинейный режим, значительное преимущество оказывается на стороне диэлектриков. Их поглощение существенно слабее, чем у металлов, что позволяет диэлектрикам избегать нагрева и разрушения структуры под действием мощных лазерных импульсов.

Несмотря на все преимущества, диэлектрические метаповерхности, работающие в нелинейном режиме, удалось получить только сейчас. Группа ученых из Университета ИТМО, Австралийского национального университета и национальной лаборатории Оak Ridge в США экспериментально реализовала два типа таких метаповерхностей: дефлектор и вортекс. Дефлектор отклоняет падающую волну на заданный угол, а вортекс закручивает свет из линейной поляризации в круговую. При этом оба типа устройств переводят длину волны света из инфракрасного в видимый диапазон.

«Наша идея была в том, чтобы собрать метаповерхность из частиц с разной геометрией. Тогда в разных областях падающего светового пучка можно получить разный сдвиг фазы. То есть световые волны будут проходить через такую структуру с разной задержкой, а на выходе можно получить новое направление и поляризацию светового пучка. При этом важно полностью не потерять интенсивность света при его нелинейном преобразовании. На самом деле, идея набора из разных частиц уже известна, но нам впервые удалось адаптировать ее для нелинейной оптики и на практике получить рабочую структуру», – комментирует Кирилл Кошелев, сотрудник Международной лаборатории метаматериалов Университета ИТМО.

Ученые отмечают, что работа в рамках исследования велась по трем направлениям: теоретический анализ, численное моделирование и эксперимент. Теория позволила приблизительно подобрать размеры частиц и схему их размещения. Затем с помощью моделирования данные уточнили, и начались эксперименты. Исследователи сделали множество экспериментальных структур, измерили их свойства и выбрали наиболее удачные.

После множества сложных измерений ученые смогли экспериментально подтвердить, что метаповерхности способны менять свойства световой волны и эффективно выполнять нелинейные преобразования. Дефлектор и вортекс стали первыми успешными примерами диэлектрических метаповерхностей, работающих в нелинейном режиме. Теперь ученые планируют реализовать другие интересные и потенциально полезные функции, например ‒ голограммы.

«Область нелинейных материалов создана недавно, и их эффективность оставалась довольно низкой, без надежд на практические применения. Наша работа открывает новые возможности для эффективных преобразователей света, позволяя делать «умные» структурированные поверхности для так называемой плоской оптики, где метаповерхности могут заменить сложные линзы и даже активные лазерные элементы», ‒ отмечает Юрий Кившарь, соруководитель Центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, профессор Австралийского национального университета Юрий Кившарь.