Un método de bajo costo y sin litografía para imprimir metasuperficies ópticas

Un método de bajo costo y sin litografía para imprimir metasuperficies ópticas


24 de marzo de 2022

(Proyector de Nanowerk) Las metasuperficies ópticas son capas nanoestructuradas de sublongitud de onda que interactúan fuertemente con la luz, alterando drásticamente las propiedades de la luz en un espesor de sublongitud de onda. Ofrecen un método fundamentalmente nuevo de manipulación de la luz basado en la dispersión de nanoestructuras resonantes en lugar de la refracción y la propagación tradicionales, ofreciendo así un control eficiente de fase, polarización y emisión.

Las metasuperficies ópticas se han aplicado al diseño y la fabricación de elementos y sistemas ópticos ultrafinos con capacidades que superan el rendimiento de los elementos ópticos difractivos tradicionales. Permiten una serie de usos novedosos, como capas de piel o guadañas planas de metal y hologramas más eficientes.

Las metasuperficies se pueden fabricar utilizando litografía estándar y técnicas de nanoimpresión. Sin embargo, estos métodos solo son adecuados para áreas más pequeñas, ya que la complejidad estructural de las metasuperficies ópticas plantea un desafío para sus aplicaciones de gran volumen y aumento de escala.

Ahora, los investigadores han abordado este problema con un método sin litografía para imprimir metasuperficies ópticas. Lo hacen utilizando un resonador óptico formado por una estructura multicapa de metal ultrafino y revestimientos dieléctricos y con una condición crítica de acoplamiento donde la absorción del resonador óptico es casi perfecta a la frecuencia de escritura en resonancia.

Este trabajo fue reportado en nano letras («Impresión láser resonante de metasuperficies ópticas»).

«Las tecnologías de procesamiento láser convencionales se basan en la alta densidad de energía en un haz enfocado que se origina en un láser pulsado, combinado con pulsos ultracortos de femtosegundos a picosegundos para confinar espacialmente el calentamiento inducido por láser», dijo el profesor Xiaolong Zhu del Laboratorio Estatal de Espectroscopia de Precisión. de la Universidad Normal de China Oriental en Shanghái, explica Nanowerk. «Por ejemplo, recientemente se introdujeron láseres ultrarrápidos de femtosegundos para el posprocesamiento de metasuperficies preparadas, donde los pulsos de femtosegundos del infrarrojo cercano generalmente no están en resonancia con las características de resonancia de las nanoantenas plasmónicas o dieléctricas que resuenan en el visible».

«Por el contrario», continúa, «la impresión láser resonante aplicada en nuestro trabajo actual aprovecha las características resonantes con confinamiento de luz mejorado en plasmónicos o resonadores de materiales de alta refracción».

Usando impresión láser resonante, el equipo logra metasuperficies para colores estructurales (donde los colores resultan únicamente de la interacción de la superficie nanoestructurada y la luz), hologramas ópticos y óptica difractiva con un consumo de energía de menos de 1 nanojulio y un tiempo de impresión de hasta a 1 nanosegundo por punto.

Como «papel» para la impresión láser, los investigadores utilizaron una película ultrafina hecha de un dieléctrico sin pérdidas (TiO2), intercalado entre un conductor de aluminio perfecto y una película de metal dorado delgada, semitransparente y con pérdidas. Esta película multicapa es fácil de fabricar y económica para escalar y fabricar con áreas más grandes.

Encuentran que las estructuras a nanoescala están hechas en este Al-TiO2-Las láminas de oro son duraderas y, por lo general, duran más que la mayoría de las tintas o pigmentos. Impresión en color de una sección de La impresión texturizada láser a color de los investigadores de una sección de «A Thousand Miles of Rivers and Mountains» mide 4 cm x 4 cm y tiene una resolución de más de 100 000 ppp (puntos por pulgada), que es, con mucho, la resolución de impresión láser a color más alta de el mundo. La obra original de Wang Ximeng de la dinastía Song del Norte se exhibe en el Museo del Palacio de Beijing. (Imagen: Xiaolong Zhu, Universidad Normal del Este de China)

El rendimiento de esta impresora láser a color sin tinta con una resolución de más de 100 000 ppp supera con creces el rendimiento de las impresoras láser convencionales o las impresoras de inyección de tinta, que suelen tener una resolución de impresión inferior a 1200 ppp.

«Otro avance propuesto en nuestro artículo es el descubrimiento de que la estructura superficial de una microcavidad óptica de película delgada no solo puede ajustar la amplitud de la luz incidente, es decir, los diferentes colores estructurales, sino también la fase de la onda de luz incidente y el correspondiente estructura de frente de onda», enfatiza Zhu, «cerca del punto de acoplamiento crítico, la estructura de metasuperficie óptica puede realizar el cambio drástico y la regulación de largo alcance de la fase de la luz incidente incluso en el caso de una perturbación de campo externo».

Este principio se puede utilizar para realizar la preparación a gran escala de una estructura de superficie que puede generar hologramas ópticos. Con esta resolución ultra alta de impresión láser resonante, es posible imprimir información de fase óptica de área grande dentro de un área limitada. Esto se demuestra en la imagen a continuación, donde se imprimen 16 millones de píxeles en un área de 2 mm x 2 mm que representa una mariposa holográfica. Mariposa holográfica Mariposa holográfica impresa en un área de 2 mm x 2 mm con 16 millones de píxeles. (Imagen: Xiaolong Zhu, Universidad Normal del Este de China)

Este trabajo demuestra la confiabilidad, la alta escalabilidad y la resolución de sublongitud de onda de la impresión láser de metasuperficies, lo que puede allanar el camino para la aplicación industrial de metasuperficies ópticas en la impresión en color o para elementos ópticos planos como lentes de metal y placas de ondas.

«Al introducir los cambios de fase de la interfaz, nuestro enfoque con nanoestructuras de forma libre autoensambladas permite la realización de hologramas de metasuperficie y elementos ópticos planos con capacidades sin precedentes», concluye Zhu. «Las películas de holograma se pueden rediseñar por completo con nuestra solución, reemplazando los costosos, lentos y sofisticados procesos de nanolitografía por haz de electrones». A través de
Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©




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