Новые законы оптики: появятся плоские линзы и кривые зеркала

Используя новый метод, названный скачком фазы, исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук (SEAS) заставили лучи света не подчиняться многовековым законам отражения и преломления.

Открытие, опубликованное на этой неделе в Science, привело к пересмотру математических законов, которые предсказывают путь светового луча света при отражении от поверхности или при переходе из одной среды в другую.

С помощью изменения формы поверхности ученые смогли создать эффект кривого зеркала на плоской поверхности, что открывает новые пути развития фотоники. Известно, что через многообразные среды свет распространяется с различной скоростью. Отражение и его преломление происходит всякий раз, когда луч направлен на материал под углом к поверхности, - из-за того, что одна сторона луча достигает поверхности раньше, чем другая, и в результате волновой фронт меняет свое направление.

Однако, изучая поведение света, падающего на поверхность, покрытую сложным узором металлических наноструктур, ученые поняли, что обычных уравнений недостаточно для описания странных явлений, наблюдаемых в лаборатории. Новые обобщенные законы оптики, полученные и экспериментально продемонстрированные в Гарварде, принимают во внимание открытие группы Капассо. Оно гласит, что граница раздела двух сред (если она имеет сложный рисунок) может выступать в качестве третьей среды.

Кривое зеркало – лишь забавная демонстрация уникальных возможностей новой технологии управления светом

«Как правило, поверхности, например, граница между водой и воздухом, являются просто геометрическими границами раздела двух сред, - объясняет научный сотрудник лаборатории Капассо Нанфанг Ю.- Но теперь, в этом частном случае, граница сред становится активным интерфейсом, который сам по себе может управлять световым лучом».

Ключевым компонентом лабораторной установки SEAS является массив из крошечных золотых антенн, выгравированных на поверхности кремниевой пластины. Этот массив намного тоньше, чем длина волны света, и, в отличие от обычной оптической системы, кремниевая пластина с нанопокрытием при попадании света на гребни антенн создает скачок фазы. Каждая антенна в массиве представляет собой крошечный резонатор, который ловит свет в своеобразную ловушку и держит его определенный период времени. Градиент различных типов наноразмерных резонаторов по всей поверхности кремния может эффективно изменять поведение светового луча еще до того, как он начнет распространяться в новой среде. В результате получаются совершенно новые явления, не подчиняющиеся "классическим" законам оптики. Тем не менее, при исключении покрытия со скачком фазы, новые законы оптики вполне укладываются в классические математические уравнения.

Открытие ученых из Гарварда дает уникальный инструмент по работе со светом: появляется возможность управлять цветом, яркостью и направлением светового луча. Что, например, позволит создать абсолютно плоские линзы, которые могут преломлять свет без аберраций.