Only Perception: 微小奈米天線所創造的新全像技術

2014-01-09

微小奈米天線所創造的新全像技術

New hologram technology created with tiny nanoantennas
http://phys.org/news/2013-11-hologram-technology-tiny-nanoantennas.html

By Emil Venere, Nov 15, 2013

研究者利用一種具超高控光效率的「超表面（meta-surface，下文以原文呈現）」創造出微小的全像圖，可望成為先進感應器、高解析度顯示器與資訊處理的新技術。此 metasurface，由數千個 V 形奈米天線在超薄的金箔上構成，能使「平面光電子學（planar photonics）」裝置與小到足以被整合到電腦晶片，並用於資訊處理、感應與遠距通訊的「光交換器（optical switches）」成為可能，Alexander Kildishev 表示，Purdue 大學的電機與電腦工程副研究教授。

雷射光照向奈米天線，在 metasurface 上方 10 microns 處創造出全像圖。為了示範此技術，研究者創造了 PURDUE 這幾個英文字母的全像圖，寬度不到 100 microns，那差不多是人類頭髮的直徑。

"若我們能塑造字元，為了傳送或紀錄，我們也能夠塑造出不同類型的光束，或如該例中用於 3D 顯示的像素。另一種可能的應用則是資訊科技，可在晶片內傳輸並處理資料，" Kildishev 說。"在我們實驗中所呈現的最小形狀特徵 -- 字母的筆劃 -- 只有 1 micro 寬。這是相當令人矚目的空間解析度。"

詳細研究資訊可在 Nov. 15 的 Nature Communications 期刊中找到。

透過 metasurface，在未來電腦中利用單一光子 -- 構成光的粒子 -- 進行交換或路由將成為可能。雖然光子的使用會大幅加速電腦與遠距通訊，但便利的光學裝置卻無法被微型化，因為光的波長太長，以至於無法被整合到積體電路所需要的微小元件中。然後，奈米結構化的超材料（metamaterials），卻使光波長的減少成為可能，讓新型奈米光學裝置的創造成為可能，Vladimir M. Shalaev 表示，Purdue Birck 奈米技術中心奈米光學科學主任，以及電腦與電機工程卓越教授。

"最重要的是，我們能以非常薄的一層，只有 30 奈米，辦到這件事，而且這是空前的，" Shalaev 說。"這意味著你能開始將之嵌入到電子裝置中，使之與電子裝置結合。"

這一層大約是用以創造全像圖之光線波長的 1/23 寬。

這篇 Nature Communications 論文由前 Purdue 博士生 Xingjie Ni，他現在則是 UCB 的博士後；Kildishev；與 Shalaev 共同著作。

在大約 15 年的開發下，超材料擁有它們自己不尋常的潛力，能在奈米尺度下進行精確的設計。光學奈米光子電路能駕馭被稱為「表面電漿子（surface plasmons）」的電子雲，用以操控光在裝置中的路由。這些裝置太小，以至於無法使用傳統雷射。

研究者亦證明，當雷射通過奈米天線時，如何控制雷射光的強度與相位（或timing），每個天線都有它自己的「相位延遲（phase delay）」 -- 當光通過此結構時，光變慢的程度有多少。控制強度與相位對可用裝置的創造來說是必要的，這能藉由改變 V 形天線而辦到。

※ 相關報導：

＊ Metasurface holograms for visible light
http://www.nature.com/ncomms/2013/131115/ncomms3807/full/ncomms3807.html

Xingjie Ni, Alexander V. Kildishev, Vladimir M. Shalaev.
Nature Communications 4, 2807
doi: 10.1038/ncomms3807

Holography, a revolutionary 3D imaging technique, has been developed for storing and recovering the amplitude and phase of light scattered by objects. Later, single-beam computer-generated phase holography was proposed for restoring the wavefront from a given incidence. However, because the phase modulation depends on the light propagation inside the material, the thickness of phase holograms usually remains comparable to the wavelength. Here we experimentally demonstrate ultra-thin metasurface holograms that operate in the visible range whose thickness is only 30 nm (approximately 1/23 of the operational wavelength). To our knowledge, this is the thinnest hologram that can provide both amplitude and phase modulation in the visible wavelength range, which generates high-resolution low-noise images. Using this technique, not only the phase, but potentially the amplitude of the incident wave can be efficiently controlled, expanding the route to new applications of ultra-thin and surface-confined photonic devices.