‘Metalens’ pourrait perturber le marché des UV sous vide

Les chercheurs en photonique de l’Université Rice ont créé une technologie potentiellement perturbatrice pour le marché de l’optique ultraviolette.

En gravant avec précision des centaines de minuscules triangles à la surface d’un film microscopique d’oxyde de zinc, la pionnière de la nanophotonique Naomi Halas et ses collègues ont créé un « métalène » qui transforme les UV à ondes longues entrants (UV-A) en une sortie focalisée d’UV sous vide (VUV ) radiation. Le VUV est utilisé dans la fabrication de semi-conducteurs, la photochimie et la science des matériaux et a toujours été coûteux à utiliser, en partie parce qu’il est absorbé par presque tous les types de verre utilisés pour fabriquer des lentilles conventionnelles.

« Ce travail est particulièrement prometteur à la lumière des récentes démonstrations que les fabricants de puces peuvent augmenter la production de métasurfaces avec des processus compatibles CMOS », a déclaré Halas, co-auteur correspondant d’une étude de démonstration sur les métalens publiée dans Avancées scientifiques. « Il s’agit d’une étude fondamentale, mais elle indique clairement une nouvelle stratégie pour la fabrication à haut débit de composants et dispositifs optiques VUV compacts. »

L’équipe de Halas a montré que ses métalènes microscopiques pouvaient convertir les UV de 394 nanomètres en une sortie focalisée de VUV de 197 nanomètres. Le métal en forme de disque est une feuille transparente d’oxyde de zinc plus fine qu’une feuille de papier et d’à peine 45 millionièmes de mètre de diamètre. Lors de la démonstration, un laser UV-A de 394 nanomètres a été projeté à l’arrière du disque et les chercheurs ont mesuré la lumière qui émergeait de l’autre côté.

La co-première auteure de l’étude, Catherine Arndt, étudiante diplômée en physique appliquée dans le groupe de recherche de Halas, a déclaré que la principale caractéristique du métalène est son interface, une surface avant parsemée de cercles concentriques de minuscules triangles.

« L’interface est l’endroit où toute la physique se produit », a-t-elle déclaré. « Nous conférons en fait un déphasage, modifiant à la fois la vitesse à laquelle la lumière se déplace et la direction dans laquelle elle se déplace. Nous n’avons pas à collecter la lumière émise car nous utilisons l’électrodynamique pour la rediriger vers l’interface où nous la générons. »

La lumière violette a la longueur d’onde la plus basse visible pour les humains. L’ultraviolet a des longueurs d’onde encore plus basses, qui vont de 400 nanomètres à 10 nanomètres. Les UV sous vide, avec des longueurs d’onde comprises entre 100 et 200 nanomètres, sont ainsi nommés car ils sont fortement absorbés par l’oxygène. L’utilisation de la lumière VUV aujourd’hui nécessite généralement une chambre à vide ou un autre environnement spécialisé, ainsi que des machines pour générer et focaliser les VUV.

« Les matériaux conventionnels ne génèrent généralement pas de VUV », a déclaré Arndt. « Il est fabriqué aujourd’hui avec des cristaux non linéaires, qui sont volumineux, coûteux et souvent contrôlés à l’exportation. Le résultat est que le VUV est assez cher. »

Dans des travaux antérieurs, Halas, le physicien de Rice Peter Nordlander, ancien Ph.D. de Rice. l’étudiant Michael Semmlinger et d’autres ont démontré qu’ils pouvaient transformer des UV de 394 nanomètres en VUV de 197 nanomètres avec une métasurface d’oxyde de zinc. Comme les métalens, la métasurface était un film transparent d’oxyde de zinc avec une surface à motifs. Mais le motif requis n’était pas aussi complexe car il n’avait pas besoin de focaliser le flux lumineux, a déclaré Arndt.

« Metalenses profite du fait que les propriétés de la lumière changent lorsqu’elle frappe une surface », a-t-elle déclaré. « Par exemple, la lumière se déplace plus rapidement dans l’air que dans l’eau. C’est pourquoi vous obtenez des réflexions sur la surface d’un étang. La surface de l’eau est l’interface, et lorsque la lumière du soleil frappe l’interface, une petite partie se réfléchit. « 

Les travaux antérieurs ont montré qu’une métasurface pouvait produire des VUV en convertissant les UV à ondes longues via un processus de doublage de fréquence appelé génération de deuxième harmonique. Mais le VUV est coûteux, en partie parce qu’il est coûteux à manipuler après sa production. Les systèmes disponibles dans le commerce pour cela peuvent remplir des armoires aussi grandes que des réfrigérateurs ou des voitures compactes et coûter des dizaines de milliers de dollars, a-t-elle déclaré.

« Pour un metalens, vous essayez à la fois de générer la lumière et de la manipuler », a déclaré Arndt. « Dans le domaine des longueurs d’onde visibles, la technologie des métalens est devenue très efficace. Les casques de réalité virtuelle l’utilisent. Les métalens ont également été démontrés ces dernières années pour les longueurs d’onde visibles et infrarouges, mais personne ne l’avait fait à des longueurs d’onde plus courtes. Et beaucoup de matériaux absorbent VUV. Donc, pour nous, c’était juste un défi global de voir, ‘Pouvons-nous faire ça?' »

Pour fabriquer les métalènes, Arndt a travaillé avec l’auteur co-correspondant Din Ping Tsai de la City University de Hong Kong, qui a aidé à produire la surface complexe des métalènes, et avec trois co-premiers auteurs : Semmlinger, diplômé de Rice en 2020, Ming Zhang, diplômé de Rice en 2021, et Ming Lun Tseng, professeur adjoint à l’Université nationale Yang Ming Chiao Tung de Taïwan.

Des tests à Rice ont montré que les métalens pouvaient concentrer leur sortie de 197 nanomètres sur un point mesurant 1,7 microns de diamètre, augmentant la densité de puissance de la sortie lumineuse de 21 fois.

Arndt a déclaré qu’il est trop tôt pour dire si la technologie peut rivaliser avec les systèmes VUV de pointe.

« C’est vraiment fondamental à ce stade », a-t-elle déclaré. « Mais il a beaucoup de potentiel. Il pourrait être rendu beaucoup plus efficace. Avec cette première étude, la question était : ‘Est-ce que ça marche ?’ Dans la phase suivante, nous nous demanderons :  » Dans quelle mesure pouvons-nous faire mieux ? » »