11:33 ص
فيزياء الكم
قام فريق بقيادة علماء في جامعة واشنطن بتصميم واختبار مادة ثلاثية الأبعاد مطبوعة يمكنها معالجة الضوء بدقة النانو. بينما يكتبون في ورقة نشرت في 4 أكتوبر في مجلة Science Advances ، يركز عنصرهم البصري المصمم على الضوء على نقاط منفصلة في نمط حلزوني ثلاثي الأبعاد.
توضح مبادئ تصميم الفريق والنتائج التجريبية أنه من الممكن تصميم وبناء أجهزة metamaterial التي يمكنها معالجة الحقول البصرية بدقة عالية بدقة مكانية بثلاثة أبعاد. على الرغم من أن الفريق اختار نمطًا حلزونيًا - حلزونيًا لولبيًا - لتركيز عنصره البصري على الضوء ، إلا أنه يمكن استخدام نهجهم لتصميم العناصر البصرية التي تتحكم وتركز الضوء في أنماط أخرى.
يمكن استخدام الأجهزة التي تحتوي على هذا المستوى من التحكم الدقيق في الضوء ليس فقط لتصغير العناصر البصرية الحالية ، مثل العدسات أو العاكسات ، ولكن أيضًا لتحقيق أصناف جديدة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يتيح تصميم الحقول الضوئية في ثلاثة أبعاد إنشاء مستشعرات مدمجة فائقة العمق للنقل المستقل ، بالإضافة إلى عناصر بصرية للشاشات وأجهزة الاستشعار في سماعات الواقع الواقعي أو المعزز.
وقالت المؤلفة المقابلة اركا ماجومدار ، أستاذ مساعد في الهندسة الكهربائية والكمبيوتر فيزياء UW ، وعضو هيئة التدريس في "هذا الجهاز الذي تم الإبلاغ عنه ليس له في الواقع تناظرية كلاسيكية في البصريات الانكسارية - البصريات التي نواجهها في حياتنا اليومية". معهد UW للنظم الهندسية النانوية ومعهد العلوم الجزيئية والهندسية. "لم يصنع أي شخص جهازًا مثل هذا من قبل باستخدام هذه المجموعة من القدرات."
اتخذ الفريق ، الذي يضم باحثين في مختبر أبحاث القوات الجوية ومعهد أبحاث جامعة دايتون ، نهجًا أقل استخدامًا في مجال المواد البصرية الضوئية لتصميم العنصر البصري: التصميم العكسي. باستخدام التصميم العكسي ، بدأوا بنوع الملف الشخصي للحقل البصري الذي أرادوا توليده - ثماني نقاط مركزية للضوء في نمط حلزوني - وصمموا سطحًا مائيًا من شأنه أن يخلق هذا النمط.
وقال ماجومدار: "لا نعرف دائمًا البنية المناسبة للعنصر البصري بالنظر إلى وظائف محددة". "هذا هو المكان الذي يأتي فيه التصميم العكسي: يمكنك السماح للخوارزمية بتصميم البصريات."
في حين أن هذا النهج يبدو سهلاً ويتجنب عيوب أساليب تصميم التجربة والخطأ ، لا يُستخدم التصميم العكسي على نطاق واسع للمواد الوصفية النشطة في المنطقة الكبيرة نظرًا لأنه يتطلب عددًا كبيرًا من عمليات المحاكاة ، مما يجعل التصميم العكسي مكثفًا حسابيًا.
هنا ، تجنب الفريق هذا المأزق بفضل نظرة من آلان زان ، المؤلف الرئيسي على الورقة ، الذي تخرج مؤخراً من جامعة ويسكونسن على درجة الدكتوراه في الفيزياء. أدرك تشان أن الفريق يمكنه استخدام نظرية تشتت مي لتصميم العنصر البصري. يصف Mie scattering كيف تنتشر الموجات الضوئية ذات الطول الموجي المعين بواسطة كرات أو أسطوانات متشابهة في الحجم مع الطول الموجي البصري. تشرح نظرية التشتت في مي كيف أن الجسيمات النانوية المعدنية في الزجاج الملون يمكن أن تعطي نوافذ الكنيسة معينة ألوانها الجريئة ، وكيف أن القطع الأثرية الزجاجية الأخرى تغير لونها بأطوال موجية مختلفة من الضوء ، وفقًا لزان.
تُظهر هذه الصور أداء العنصر البصري الذي يبلغ 1،550 نانومتر. الصور هي ملفات تعريف شدة الضوء للحقل البصري حيث تظهر حوالي 185 ميكرومتر فوق سطح العنصر البصري. إلى اليسار يوجد ملف تعريف محاكي لشدة الضوء يتنبأ بكيفية عمل العنصر البصري. لاحظ النقطة المحورية للضوء بالقرب من مركز الصورة. إلى اليمين ، ملف تعريف شدة الضوء الفعلي للعنصر البصري ، يوضح أن الجهاز ينتج نقطة محورية للضوء في الموقع المتوقع. صمم الباحثون العنصر لتركيز الضوء في ثماني نقاط من هذا القبيل على مسافات مختلفة فوق سطح العنصر. شريط النطاق 10 ميكرومتر. الائتمان: آلان تشان / جامعة واشنطن
قال زان: "إن تطبيقنا لنظرية تشتت مي خاص بأشكال معينة - كروية - مما يعني أنه كان علينا دمج تلك الأشكال في تصميم العنصر البصري". "لكن الاعتماد على نظرية تشتت مي قد ساهم بشكل كبير في تبسيط عملية التصميم والمحاكاة لأنه يمكننا إجراء حسابات محددة للغاية ودقيقة للغاية حول خصائص الضوء عندما تتفاعل مع العنصر البصري."
يمكن استخدام مقاربتهم لتشمل أشكال هندسية مختلفة مثل الأسطوانات والإهليلجيات.
العنصر البصري الذي صممه الفريق هو في الأساس سطح مغطى بآلاف المجالات الصغيرة ذات الأحجام المختلفة ، مرتبة في شبكة مربعة دورية. أدى استخدام المجالات البسرية إلى تبسيط التصميم ، واستخدم الفريق طابعة ثلاثية الأبعاد متوفرة تجاريًا لتصنيع عنصرين بصريين أوليين - أكبرهما بطول الجانبين بطول 0.02 سم فقط - في مبنى Washington Nanofabrication في حرم جامعة UW. كانت العناصر الضوئية مطبوعة ثلاثية الأبعاد من إيبوكسي فوق بنفسجي على الأسطح الزجاجية. واحد تم تصميم العنصر لتركيز الضوء على 1550 نانومتر ، والآخر على 3000 نانومتر.
تصور الباحثون العناصر البصرية تحت المجهر لمعرفة مدى أدائهم التصميمي بشكل جيد - مع التركيز على ضوء يبلغ 1550 أو 3000 نانوميتر في ثماني نقاط محددة على نمط حلزوني ثلاثي الأبعاد. تحت المجهر ، كانت نقاط الضوء الأكثر تركيزًا في المواقف التي تنبأت بها عمليات المحاكاة النظرية للفريق. على سبيل المثال ، بالنسبة لجهاز الطول الموجي الذي يبلغ طوله 1،550 نانومتر ، كانت ست من بين ثماني نقاط محورية في الموضع المتوقع. أظهر الاثنان المتبقيان انحرافات طفيفة فقط.
مع الأداء العالي لنماذجها الأولية ، يود الفريق تحسين عملية التصميم لتقليل مستويات الإضاءة في الخلفية وتحسين دقة وضع النقاط المحورية ، ودمج عناصر تصميم أخرى متوافقة مع نظرية تشتت مي.
وقال ماجومدار: "الآن وقد أظهرنا مبادئ التصميم الأساسية للعمل ، فهناك الكثير من الاتجاهات التي يمكننا اتباعها بهذا المستوى من الدقة في التصنيع".
أحد الاتجاهات الواعدة بشكل خاص هو التقدم إلى ما وراء سطح واحد لإنشاء مادة حقيقية بحجم ثلاثي الأبعاد.
وقال ماجومدار: "تسمح لنا الطباعة ثلاثية الأبعاد بإنشاء مجموعة من هذه الأسطح ، وهو ما لم يكن ممكنًا من قبل".
ليست هناك تعليقات: