„Metalens“ könnte den Vakuum-UV-Markt stören

Photonikforscher der Rice University haben eine potenziell bahnbrechende Technologie für den UV-Optikmarkt entwickelt.

Durch das präzise Ätzen von Hunderten winziger Dreiecke auf der Oberfläche eines mikroskopisch kleinen Films aus Zinkoxid schufen die Nanophotonik-Pionierin Naomi Halas und ihre Kollegen eine „Metalllinse“, die einfallendes langwelliges UV (UV-A) in eine fokussierte Ausgabe von Vakuum-UV (VUV) umwandelt ) Strahlung. VUV wird in der Halbleiterherstellung, Photochemie und Materialwissenschaft verwendet und war in der Vergangenheit kostspielig zu handhaben, teilweise weil es von fast allen Glasarten absorbiert wird, die zur Herstellung herkömmlicher Linsen verwendet werden.

„Diese Arbeit ist besonders vielversprechend angesichts der jüngsten Demonstrationen, dass Chiphersteller die Produktion von Metaoberflächen mit CMOS-kompatiblen Prozessen skalieren können“, sagte Halas, Mitautor einer in veröffentlichten Metalens-Demonstrationsstudie Wissenschaftliche Fortschritte. „Dies ist eine grundlegende Studie, aber sie weist eindeutig auf eine neue Strategie für die Hochdurchsatzfertigung von kompakten optischen VUV-Komponenten und -Geräten hin.“

Das Team von Halas zeigte, dass seine mikroskopisch kleinen Metalle 394-Nanometer-UV in eine fokussierte Ausgabe von 197-Nanometer-VUV umwandeln können. Die scheibenförmige Metalens ist eine transparente Schicht aus Zinkoxid, die dünner als ein Blatt Papier ist und nur einen Durchmesser von 45 Millionstel Metern hat. Bei der Demonstration wurde ein 394-Nanometer-UV-A-Laser auf die Rückseite der Scheibe gerichtet, und die Forscher maßen das Licht, das von der anderen Seite austrat.

Die Co-Erstautorin der Studie, Catherine Arndt, eine Doktorandin der angewandten Physik in der Forschungsgruppe von Halas, sagte, das Hauptmerkmal der Metalens sei ihre Grenzfläche, eine Vorderfläche, die mit konzentrischen Kreisen aus winzigen Dreiecken besetzt ist.

„An der Schnittstelle findet die gesamte Physik statt“, sagte sie. „Wir verleihen tatsächlich eine Phasenverschiebung und ändern sowohl die Geschwindigkeit als auch die Richtung, in die sich das Licht bewegt. Wir müssen die Lichtleistung nicht sammeln, weil wir sie mithilfe der Elektrodynamik an die Grenzfläche umleiten, wo wir sie erzeugen.“

Violettes Licht hat die niedrigste für den Menschen sichtbare Wellenlänge. Ultraviolett hat noch niedrigere Wellenlängen, die von 400 Nanometer bis 10 Nanometer reichen. Vakuum-UV mit Wellenlängen zwischen 100-200 Nanometern wird so genannt, weil es stark von Sauerstoff absorbiert wird. Die Verwendung von VUV-Licht erfordert heute typischerweise eine Vakuumkammer oder eine andere spezialisierte Umgebung sowie Maschinen zur Erzeugung und Fokussierung von VUV.

„Herkömmliche Materialien erzeugen normalerweise kein VUV“, sagte Arndt. „Es wird heute mit nichtlinearen Kristallen hergestellt, die sperrig, teuer und oft exportkontrolliert sind. Das Ergebnis ist, dass VUV ziemlich teuer ist.“

In früheren Arbeiten haben Halas, Rice-Physiker Peter Nordlander, ehemaliger Rice Ph.D. Der Student Michael Semmlinger und andere demonstrierten, dass sie 394-Nanometer-UV in 197-Nanometer-VUV mit einer Zinkoxid-Metaoberfläche umwandeln können. Wie bei den Metallen war die Metaoberfläche ein transparenter Film aus Zinkoxid mit einer gemusterten Oberfläche. Aber das erforderliche Muster war nicht so komplex, da es die Lichtleistung nicht fokussieren musste, sagte Arndt.

„Metalenses nutzen die Tatsache, dass sich die Eigenschaften von Licht ändern, wenn es auf eine Oberfläche trifft“, sagte sie. „Zum Beispiel bewegt sich Licht schneller durch Luft als durch Wasser. Deshalb gibt es Reflexionen auf der Oberfläche eines Teichs. Die Wasseroberfläche ist die Grenzfläche, und wenn Sonnenlicht auf die Grenzfläche trifft, wird ein wenig davon reflektiert. „

Die frühere Arbeit zeigte, dass eine Metaoberfläche VUV erzeugen kann, indem langwelliges UV über einen Frequenzverdopplungsprozess, der als Erzeugung zweiter Harmonischer bezeichnet wird, hochkonvertiert wird. Aber VUV ist teilweise kostspielig, weil es teuer zu manipulieren ist, nachdem es produziert wurde. Kommerziell erhältliche Systeme dafür können Schränke so groß wie Kühlschränke oder Kleinwagen füllen und Zehntausende von Dollar kosten, sagte sie.

„Für einen Metalens versucht man, das Licht sowohl zu erzeugen als auch zu manipulieren“, sagte Arndt. „Im sichtbaren Wellenlängenbereich ist die Metalens-Technologie sehr effizient geworden. Virtual-Reality-Headsets nutzen das. Metalenses wurden in den letzten Jahren auch für sichtbare und infrarote Wellenlängen demonstriert, aber niemand hatte es bei kürzeren Wellenlängen getan. Und viele Materialien absorbieren VUV. Für uns war es also nur eine allgemeine Herausforderung zu sehen: ‚Können wir das tun?‘“

Um die Metalens herzustellen, arbeitete Arndt mit dem Co-Korrespondenzautor Din Ping Tsai von der City University of Hong Kong zusammen, der bei der Herstellung der komplizierten Metalens-Oberfläche half, und mit drei Co-Erstautoren: Semmlinger, der 2020 seinen Abschluss an der Rice machte, Ming Zhang, der 2021 seinen Abschluss an der Rice machte, und Ming Lun Tseng, Assistenzprofessor an der National Yang Ming Chiao Tung University in Taiwan.

Tests bei Rice zeigten, dass die Metalens ihren 197-Nanometer-Ausgang auf einen Punkt mit einem Durchmesser von 1,7 Mikrometern fokussieren konnten, wodurch die Leistungsdichte des Lichtausgangs um das 21-fache erhöht wurde.

Arndt sagte, es sei noch zu früh zu sagen, ob die Technologie mit modernen VUV-Systemen konkurrieren könne.

„In dieser Phase ist es wirklich grundlegend“, sagte sie. „Aber es hat viel Potenzial. Es könnte noch viel effizienter gemacht werden. Bei dieser ersten Studie war die Frage: ‚Funktioniert es?‘ In der nächsten Phase fragen wir uns: ‚Wie viel besser können wir es machen?‘“