Ученые предложили способ формирования стеклянных микроскопических трехмерных фотонных структур путем сворачивания. Специалисты в области физики назвали этот процесс фотонным оригами. Данная методика может позволить создавать сложные оптические устройства для обработки информации, сенсорных систем и экспериментальных исследований непосредственно на чипе, в непосредственной близости от других электронных компонентов.
Миниатюризация охватывает области электроники и фотоники. Дальнейшее уменьшение размеров существующих устройств неизбежно приводит к необходимости создания объектов с атомарной точностью, что требует использования высоких энергий. Это, в свою очередь, затрудняет или делает невозможным размещение нескольких элементов в непосредственной близости, поскольку технологические процессы начинают противоречить друг другу, а существует опасность повреждения уже созданных структур в процессе последующего изготовления.
Чтобы избежать подобных проблем, отдельные компоненты фотонных устройств можно изготавливать независимо, однако это значительно усложняет процесс производства. Специалисты стремятся найти оптимальное соотношение между точностью, качеством и скоростью изготовления. На текущем этапе даже самые совершенные 3D-принтеры создают объемные структуры с оптической неоднородностью, что делает их не подходящими для высокоточных оптических систем.
Израильские физики разработали новый способ создания фотонных структур, который получил название фотонное оригами. С его помощью можно формировать структуры длиной три миллиметра и толщиной всего полмикрона, используя лазер. Это достижение устанавливает новый рекорд в отношении соотношения длины к толщине для трехмерных объектов. Работа опубликована в журнале Optica.
Случайное открытие метода фотонного оригами произошло, когда руководитель исследовательской группы Таль Кармон из Тель-Авивского университета (Израиль) попросил аспирантку Манью Малхотру установить положение невидимого лазерного луча на стекле, увеличивая мощность лазера до тех пор, пока не появится свечение. Стекло не только засветилось, но и устоялось. Благодаря этому исследователи открыли несложный и неожиданный метод контроля над его структурой.
Под воздействием лазерного нагрева одна из сторон стекла переходит в состояние, близкое к жидкому, при этом поверхностное натяжение превышает силу гравитации. Это приводит к деформации в области воздействия лазера, в результате чего стекло принимает заданную форму, необходимую исследователям.
Возможность регулировки параметров изгиба достигает точности в 0,1 микрорадиана. Благодаря новому методу, ученым удалось придавать стеклянным пластинам толщиной до десяти микрон различные формы, от прямых углов до спиралей. В ходе экспериментов научная группа также смогла создать вогнутые и выпуклые зеркала с поверхностью высокой гладкости, отражающей свет без искажений.
Благодаря фотонному оригами исследователям удалось разработать сверхлегкую и точную структуру, имитирующую вогнутое зеркало и напоминающую перевернутый стол. С помощью этой разработки ученые планируют изучать отклонения от ньютоновской гравитации в малых масштабах. Данные эксперименты могут помочь разобраться в астрономических загадках, связанных с темной материей – области физики, где современные наблюдения систематически расходятся с теоретическими расчетами.
По мнению исследователей, их разработка позволит производить микрозум-объективы, которые смогут заменить отдельные камеры в большинстве современных смартфонов. Кроме того, она дает возможность создавать микрофотонные компоненты, где свет будет использоваться вместо электричества, что ускорит переход к более быстрым и энергоэффективным альтернативам традиционной электронике в компьютерах.