Ученые создали метарешетку для сверхточного управления светом — прорыв в оптических технологиях

Представьте очки дополненной реальности, которые могут отфильтровывать визуальный «шум», пропуская только нужный свет — не просто по цвету, но и по направлению. Теперь это стало возможным благодаря открытию китайских физиков, разработавших фотонное устройство, способное с высокой точностью выбирать как длину волны, так и угол падения света.

В новом исследовании, опубликованном в журнале eLight, ученые из Университета Сунь Ятсена и Фуданьского университета представили экспериментальную двумерную наноструктуру — «метарешетку», которая может выделять конкретный световой режим из непрерывного спектра, отсеивая все остальные. Эта уникальная пространственно-спектральная селективность открывает новые возможности для AR/VR-дисплеев, тепловых излучателей, биосенсоров и квантовой фотоники.

«Направленность излучения работает как "волшебный ластик", позволяя точно подавлять спектральную подпись света вдоль дисперсионной кривой», — пояснили исследователи. «Это дает независимый контроль над углом и длиной волны, преодолевая ограничения, накладываемые естественной дисперсией».

Свет распространяется в виде волн с разными длинами (цветами) и углами (направлениями). Обычные оптические фильтры могут блокировать определенные цвета или управлять углом падения света, но одновременный выбор конкретного цвета под нужным углом до сих пор оставался сложной задачей.

Решением стала пространственно-спектральная селективность, позволяющая выделять точную длину волны и угол — подобно тому, как из симфонического оркестра можно услышать одну ноту, сыгранную единственной скрипкой.

Однако в традиционных фотонных структурах, таких как дифракционные решетки или фотонные кристаллы, длина волны и угол жестко связаны, что не позволяет независимо управлять ими. Новое устройство обходит это ограничение благодаря эффекту Фано — интерференционному явлению, создающему резкие пики и провалы в отражении света.

Ключевым элементом технологии стала метарешетка из двух кремниевых нанорешеток, смещенных друг относительно друга на 35 нанометров. Это нарушает зеркальную симметрию, но сохраняет P-симметрию, что позволяет точнее управлять светом.

Экспериментальный образец с 37-нанометровым смещением продемонстрировал отражение света только при нулевом угле падения и длине волны 1349 нанометров, с очень узкой полосой (±5 градусов и 14 нм). Фактически устройство действует как ультратонкий оптический «привратник», пропускающий свет только строго заданных параметров.

Чтобы подтвердить практическую пользу технологии, ученые провели эксперимент с изображением. Они поместили метарешетку перед маской с рисунком и подсветили ее лазером с регулируемой длиной волны. Когда свет попадал на решетку под нужным углом и длиной волны, изображение исчезало, блокируясь из-за избирательного отражения. При других параметрах картинка оставалась четкой. Контраст между «заблокированным» и «пропущенным» состояниями достиг 6,2 раза, что подтвердило высокую эффективность фильтрации.

Эта технология может революционизировать дополненную реальность: например, очки будущего смогут отсекать паразитные блики или выборочно подсвечивать цифровые элементы, улучшая четкость и снижая нагрузку на глаза. Ультратонкие и пассивные (не требующие питания) метарешетки легко интегрируются в линзы и микрооптические системы.

Кроме того, технология применима в тепловой инженерии для создания направленных излучателей, повышающих энергоэффективность, или в лазерных системах для улучшения качества луча. В биосенсорах и спектроскопии точный контроль над светом позволит повысить контрастность и точность измерений.

Ученые также разработали фазовую диаграмму, описывающую влияние параметров структуры на селективность устройства, что поможет создавать аналогичные системы для других диапазонов длин волн и материалов.

«Наше исследование не только предлагает решение фундаментальной проблемы независимого управления углом и длиной волны, но и открывает новые возможности для AR/VR-дисплеев, спектральной визуализации, когерентного теплового излучения и передовых полупроводниковых технологий», — заключили авторы работы.

В эпоху, когда свет применяется для передачи информации, высокоточных вычислений и сенсорных технологий, возможность тонкого управления его параметрами может оказаться столь же революционной, как создание первых линз или изобретение лазера. Метарешетки прокладывают путь в будущее, где световые волны будут подчиняться контролю с беспрецедентной, почти атомарной точностью.