Krzemowe soczewki Luneburga

Soczewki z materiału o zmiennym współczynniku załamania światła – takie hasło może brzmieć egzotycznie, a niesłusznie, ponieważ coraz więcej sukcesów odnosi optyka, o której nie śniło się naszym nauczycielom fizyki. A dzięki niej naukowcom udaje się skonstruować materiały-niewidki czy soczewki nie wykazujące aberracji. Taką właśnie soczewkę na krzemowym chipie skonstruowali fizycy z University of St Andrews.

Soczewka Luneburga dla IR.

Zdjęcie działającej dla podczerwieni soczewki Luneburga, czerwony punkt oznacza ognisko, promieniowanie wchodzi do soczewki z prawej strony, równolegle do osi y. (c)arxiv

Na co dzień przez soczewkę rozumiemy tak wyprofilowany materiał, że na skutek różnicy dróg, jakie promienie muszą pokonać w ośrodku o innej gęstości optycznej, wiązka światła skupia się bądź rozprasza. Okazuje się jednak, że skupianie czy rozpraszanie promieni może zostać też wykonane poprzez odpowiednią ciągłą zmianę wartości współczynnika załamania światła. Teoria rozwijała się już od połowy XIX wieku, jednak na eksperymentalną realizację w powszechnej skali musieliśmy poczekać aż do niedawna, kiedy umożliwiła to technicznie inżynieria materiałowa.

Soczewka Luneburga to przykład takiego obiektu. Jest to specjalna odmiana soczewki, która padające promieniowanie skupia w punkcie na swojej krawędzi. Soczewka ta posiada pewną symetrię obrotową, a więc może mieć na przykład kształt walca, kuli czy czaszy kulistej. Co istotne, współczynnik załamania materiału, z którego jest wykonana, ma wartość najmniejszą na jej brzegach, a największą w centrum i zmienia się płynnie w obszarach pośrednich.

Promieniowanie przechodzące przez soczewkę Luneberga skupia się w ognisku na jej krawędzi. (c)arxiv

Cechą charakterystyczną soczewki Luneburga jest to, że nie występuje w niej aberracja komatyczna – ognisko ma takie same parametry niezależnie od kierunku padania wiązki promieni, zmienia się tylko jego położenie na obwodzie soczewki. Co więcej, soczewka ta nie jest czuła na przesunięcie promieni świetlnych względem jej osi, zatem punkt, gdzie powstanie ognisko, nie zależy od miejsca wejścia promieni do soczewki, a jedynie od kierunku propagacji światła. Ze względu na to, że kierunek promieni jest niejako „zamieniany” jednoznacznie na jeden punkt na obwodzie soczewki, mówi się, że realizuje ona przestrzenną transformatę Fouriera.

Jej konstrukcja została zaproponowana po raz pierwszy w latach 60., a do tej pory udało się zaprojektować takie soczewki, które działają w paśmie mikrofal. Wydawało się, że zakres podczerwony czy widzialny światła jest nie do osiągnięcia, z uwagi na to, że żeby soczewka Luneburga działała, współczynnik załamania światła musi się zmieniać o pierwiastek z dwóch pomiędzy brzegiem a jej centrum. Jest to zdecydowanie zbyt dużo, aby móc osiągnąć to na przykład przez odpowiednie domieszkowanie użytego materiału.

ResearchBlogging.orgGrupa fizyków z University of St Andrews wykorzystała inne podejście, oparte na optyce krzemowej, którą wykorzystuje się w technikach światłowodowych. Krzem i kwarc, jako materiały nieliniowe, oddziałują ze światłem i poprzez odpowiednie ich ukształtowanie można sprawić na przykład, żeby promienie podążały zadaną ścieżką w krysztale. Fizycy postanowili utworzyć soczewkę Luneburga na krzemowym chipie, wielkości kilku mm, tak, żeby skupiała promieniowanie podczerwone, wykorzystywane w telekomunikacji. W tym celu skonstruowali oni następujący układ: na krzemowym podłożu umieścili warstwę kwarcu grubości 2 μm, a na niej ukształtowali krzemową „kroplę”, o starannie zaprojektowanym profilu, średnicy ok. 200 μm i wysokości niecałych 200 nm. Całość przykryli cienką warstwą polimeru, tak, że jego powierzchnia stykająca się z powietrzem była gładka.

Co się okazało: taki chip, zgodnie z przewidywaniami, zachowuje się jak bardzo dobra soczewka Luneburga na promieniowanie podczerowne. Ognisko jest co prawda bardziej rozmyte, niż przewidują to obliczenia, jednak naukowcy tłumaczą to pewnymi niedoskonałościami kształtu krzemowej „kropli” oraz tym, że przy pomocy lasera, jakim dysponowali, byli w stanie oświetlić jedynie część, a nie całą soczewkę. Wciąż jest więc trochę do zrobienia: teoretycznie, soczewka ma możliwość skupienia wiązki w punkcie o średnicy połowy długości fali padającego promieniowania.

Ta konstrukcja jest szczególnie istotna w zastosowaniach telekomunikacyjnych. Dzięki podobnego typu układom można będzie zmniejszyć poziom szumów i zwiększyć kompresję danych. Fizycy z St Andrews pokazali przy okazji, że wbrew powszechnie panującej w środowisku opinii, taki układ działający dla promieniowania bliskiego zakresowi widzialnemu da się skonstruować już przy relatywnie małych kosztach.

Teresa Kubacka

Czytaj więcej:

Andrea Di Falco, Susanne C Kehr, Ulf Leonhardt (2011). Luneburg lens in silicon photonics arXiv:1101.1293v1 : arXiv:1101.1293v1, pdf

Physicists craft Luneburg lens from silicon, Jon Cartwright, physicsworld.com

M. Lipson, „Guiding, Modulating, and Emitting Light on Silicon-Challenges and Opportunities,” J. Lightwave Technol. 23, 4222-4238 (2005), doi:10.1109/JLT.2005.858225, pdf

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s

%d blogerów lubi to: