Каждый день мы сталкиваемся с процессами и явлениями, которых даже не замечаем, а точнее, даже не видим. Какие-то из них мы понимаем, а какие-то нам лишь предстоит понять. Но пониманием чего-либо труды научного сообщества никогда не ограничивались, ведь человек всегда хотел не только понимать, но применять на практике свои знания, а это чаще всего означает только одно — контроль.

Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученые из Вашингтонского университета смогли создать новый метаматериал, способный манипулировать светом на нанометровом масштабе. Какие особенности их устройства, какой роль в этом сыграл труд Густава Ми, и какова практическая реализация этого новшества? Об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы.

Основа исследования

Прародителями этого исследования являются оптические элементы на основе массивов дискретных диэлектрических рассеивателей, которые могут управлять локальной амплитудой и фазой оптических полей. Подобные разработки позволили миниатюризировать традиционные оптические элементы, такие как линзы и ретрорефлекторы. Помимо этого, массивы диэлектрических рассеивателей стали базой для новых многофункциональных оптических элементов, основанных на поляризационном или волновом мультиплексировании и функции рассеяния точки.

На данный момент подавляющее большинство исследований в данной области проводилось с оглядкой на интуитивно-ориентированные методы прямого проектирования. Такие методы реализуют желаемый профиль фазы, используя предварительно скомпилированные библиотеки дискретных рассеивателей. Свойства таких рассеивателей вычисляются с учетом периодических граничных условий, когда предполагается, что один рассеиватель ведет себе также, как и массив рассеивателей. Это приближение, обычно известное как приближение локальной фазы, пренебрегает различиями во взаимодействиях между соседствующими рассеивателями в оптическом элементе, что недопустимо для профиля фазы с крутым градиентом. Помимо этого, в отсутствие известного фазового профиля такой подход не может быть использован для создания оптического элемента.

Методы обратного проектирования начинаются с определения добротности как функции регулируемых параметров рассеивателя, которые пытаются точно инкапсулировать характеристики оптического элемента. То есть алгоритм вычисляет добротность и ее градиент для заданной конфигурации диэлектрических рассеивателей, а не выбирает саму конфигурацию методом проб и ошибок. Затем алгоритм приближается к конфигурации, используя градиент в качестве обновляемого направления для оптимизации добротности.

Метод обратного проектирования в таком случае позволяет исследовать те конфигурации рассеивателей, которые были бы проигнорированы интуитивными методами прямого проектирования.

Метод обратного проектирования ранее успешно применялся в создании плазмонных наноструктур и диэлектрических плоских интегрированных фотонных элементов, а также в недавней разработке двумерных оптических элементов на основе рассеивателей. Полученные устройства показали повышенную эффективность отклонения луча при большом угле и многослойных линзах.

Однако, из-за потребности в большом объеме памяти и плохой масштабируемости для крупных систем, состоящих из мелких элементов, методы обратного проектирования могут применяться лишь для двумерных элементов или очень маленьких трехмерных элементарных ячеек.

Естественно, ученых из Вашингтонского университета это не остановило, потому они решили попробовать применить метод обратного проектирования в своем исследовании, но внесли некие свои правки и дополнения.