Neues metaoberflächenbasiertes Gerät erstellt je nach Licht- und Umgebungsbedingungen unterschiedliche Bilder

Forscher haben ein neues metaoberflächenbasiertes Gerät entwickelt, das je nach umgebendem Medium und verwendeter Lichtwellenlänge mehrere unterschiedliche holografische Bilder erzeugen kann. Die Fähigkeit, Informationen zu speichern, die nur mit dem richtigen Schlüsselsatz abgerufen werden können – wie beispielsweise eine bestimmte Lichtwellenlänge in Kombination mit nassen Bedingungen – könnte weiterentwickelt werden, um einfache, aber effektive Verschlüsselungsgeräte zu entwickeln.

„Unsere neuen Metaoberflächen liefern ein sofortiges und einfaches Auslesen der Umgebung um die Oberfläche des Geräts“, sagte Forschungsteamleiterin Andrea Di Falco von der University of St. Andrews im Vereinigten Königreich. „Zusätzlich zu Verschlüsselungsanwendungen könnte dies als verwendet werden B. ein Feuchtigkeitssensor oder als Teil komplexerer lichtbasierter biomedizinischer Systeme.“

In Optik Expresszeigen die Forscher ein Gerät, das einen holografischen Schmetterling mit 705-nm-Licht bei trockenen Bedingungen und eine Raupe zeigt, wenn 750-nm-Licht mit nassen Bedingungen kombiniert wird. Bei Verwendung von 660-nm-Licht unter trockenen Bedingungen sind beide Bilder sichtbar. Die selektive Reaktion der Metaoberflächen kann maßgeschneidert werden, um mit verschiedenen vorprogrammierten Bedingungen zu arbeiten.

„Unsere holografischen Geräte tragen zu den weltweiten Bemühungen bei, die Physik und Anwendungen von photonischen Metaoberflächen zu entwickeln, die eines der vielseitigsten photonischen Werkzeuge sind, die Forschern zur Verfügung stehen, um Informationen mit Licht zu codieren und zu manipulieren“, sagte Di Falco.

Multifunktionale Metaoberflächen

Die neue Arbeit ist Teil der laufenden Bemühungen des Di Falco-Teams, photonische Metaoberflächen zu entwickeln, die im sichtbaren Bereich arbeiten und für biomedizinische Anwendungen verwendet werden können, die häufig nasse Umgebungen beinhalten.

„Holografische Metaoberflächen sind besonders interessant, weil sie verwendet werden können, um komplexe Informationen zu liefern, indem Bilder erzeugt werden, die sofort interpretiert werden können, ohne dass zusätzliche Schichten erforderlich sind“, sagte Di Falco. „Wir sind speziell daran interessiert, verschiedene photonische Funktionalitäten in einem Gerät zu integrieren.“

Holografische Metaoberflächen können detaillierte Bilder erstellen, die von den Eigenschaften des Lichts abhängen, das sie reflektieren oder übertragen. Um holografische Metaoberflächen zu erstellen, die mehr als ein Bild kodieren, verwendeten die Forscher zwei Arten von Metaatomen, die wie Pixel fungieren. Eine Art von Metaatomen reflektiert nur Licht einer bestimmten Wellenlänge unter trockenen Bedingungen, während die andere ein hohes Reflexionsvermögen nur bei Verwendung einer anderen Wellenlänge unter nassen Bedingungen aufweist.

„Wir haben eine relativ einfache resonante Metaatom-Geometrie entworfen, die die Reaktion der holografischen Metaoberfläche auf die Umgebungsbedingungen verbessert“, sagte Di Falco. „Dies ist eine effektive Möglichkeit, den Brechungsindex des umgebenden Mediums als zusätzlichen Freiheitsgrad zu nutzen, der das Multiplexen von Informationen ermöglicht, die in der Metaoberfläche codiert sind.“

Deutliche Bilder demonstrieren

Die Forscher bewerteten die Reaktion der holografischen Metaoberflächen, indem sie ihre Effizienz für verschiedene Wellenlängen in Luft und Wasser quantitativ maßen. Die Metaoberflächen erzeugten einen sehr guten Kontrast zwischen den Bildern mit wenig Übersprechen. Mit anderen Worten, für jeden Parametersatz war nur ein Bild sichtbar, was eine zweistufige Informationscodierung demonstrierte.

Als nächstes planen die Forscher, die Selektivität der Metaatome zu erhöhen, um Metaoberflächen zu schaffen, die zwischen verschiedenen Medien mit sehr ähnlichen optischen Eigenschaften unterscheiden. Dies könnte verwendet werden, um holografische Sensoren zu erstellen, die unterschiedliche Bilder erzeugen, wenn sie unterschiedlichen Konzentrationen einer bestimmten Substanz ausgesetzt werden.