Ein optisches Spektrometer ist ein Instrument, mit dem Lichteigenschaften über einen bestimmten Teil des Lichtspektrums gemessen werden. Diese Vorrichtungen haben eine breite Palette praktischer Anwendungen gefunden. Dispersionsoptische Elemente (z. B. ein Beugungsgitter oder ein Prisma) sind die Schlüsselkomponenten des herkömmlichen Spektrometers, das verwendet wird, um die gewünschte Dispersion zu erreichen.
Die Dispersion entsteht durch die Variation des Brechungsindex des Materials mit der Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls. Die Kombination derartiger optischer Freiraumelemente zusammen mit dem Ausbreitungsvolumen im freien Raum führt zu sperrigen Spektrometern, die mit der On-Chip-Integrationstechnologie nicht kompatibel sind. Um die Anforderungen der Systemintegration zu erfüllen, besteht ein dringender Bedarf an einem kompakten, einfachen und effizienten Ansatz zur Realisierung eines hochauflösenden Spektrometers.
In einer Veröffentlichung in Licht: Wissenschaft & Anwendungenhat ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Xianzhong Chen vom Institute of Photonics and Quantum Sciences, School of Engineering and Physical Sciences, Heriot-Watt University, UK, eine neue Methode zur Dispersionskontrolle vorgeschlagen.
Sie haben ein ultradünnes Spektrometer mit einer Auflösung im Nanometerbereich entwickelt, indem sie die Dispersion mit einem einzigen Metaoberflächengerät steuern, das auf der Grundlage eines neuartigen Linsenmodells entwickelt wurde. Die Einzigartigkeit dieser Technik liegt in dem neuartigen Linsendesign, das gleichzeitig Wellenlängenaufspaltung und Lichtfokussierung realisieren kann.
Die Kompaktheit und Ultradünnheit des Spektrometers machen diese Technologie sehr attraktiv für potenzielle Anwendungen in der On-Chip-integrierten Photonik, wo Spektralanalyse und Informationsverarbeitung in einer kompakten Plattform durchgeführt werden können.
Die Wellenlängen des einfallenden Lichtstrahls werden mit der vorgeschlagenen Vorrichtung genau auf unterschiedliche Positionen in der Fokusebene abgebildet. Das Gerät besteht aus Gold-Nanostäbchen mit räumlich unterschiedlichen Orientierungen, die auf einem Glassubstrat sitzen. Bei der Beleuchtung mit links zirkular polarisiertem Licht wird das rechts zirkular polarisierte Licht (umgewandelter Teil) an den gewünschten Positionen konvergiert, dh einem vorgefertigten Ring. Der Ring ist so ausgelegt, dass er mehrere Brennpunkte enthält, und jeder Brennpunkt entspricht einer anderen einfallenden Wellenlänge.
Der Entwurfsprozess des vorgeschlagenen Metaoberflächen-Spektrometers umfasst eine einzigartige Entwurfstechnik von Multifoki-Metallen mit Wellenlängeninformationen. Die Forscher erklärten:
„Wir betrachten zunächst das Phasenprofil einer Metalllinse, die nach dem Fermatschen Prinzip einen einzelnen Brennpunkt an der gewünschten Position erzeugen kann. Einzelne Phasenprofile verschiedener Metalllinsen mit einem einzigen Brennpunkt können zu einem kombinierten Phasenprofil integriert werden. Dann die Wellenlänge jedes Brennpunkts wird als Designvariable betrachtet und dem Phasenprofil von Multi-Fokus-Metallenen hinzugefügt. Eine einschichtige Metaoberfläche, die aus Gold-Nanostäbchen mit räumlich unterschiedlichen Orientierungen besteht, wird verwendet, um die gewünschte Funktionalität zu realisieren.“
„Die größeren Proben der Metaoberfläche ermöglichen eine genaue Erkennung der Linienbreite und die Erkennung kontinuierlicher Spektren. Die Erhöhung der Probengröße wird die Anzahl der wellenlängenabhängigen Brennpunkte erhöhen, was dazu beitragen wird, die Auflösung und Arbeitsbandbreite des Metaoberflächen-Spektrometers zu erhöhen“, fügten sie hinzu.
„Der vorgeschlagene Ansatz ist sehr flexibel und robust und bietet ein neues Schema zur Steuerung der gewünschten Dispersion bei Beleuchtung mit mono- und polychromatischen einfallenden Lichtstrahlen. Die Designflexibilität und ultradünne Beschaffenheit machen das ultrakompakte Spektrometer für monolithische On-Chip-Anwendungen sehr attraktiv Integration mit Sensortechnologie. Diese Technologie kann für viele spannende Anwendungen in den Bereichen Spektralanalyse, Informationssicherheit und Informationsverarbeitung effektiv genutzt werden“, so die Wissenschaftler.
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Ruoxing Wang et al., Compact Multi-Foci Metalens Spektrometer, Licht: Wissenschaft & Anwendungen (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01148-9