Длина волны и направление распространения (угол) — два фундаментальных свойства света. Возможность независимо управлять ими лежит в основе многих современных оптических технологий. Но из-за дисперсии в периодических структурах угол и длина волны в резонансных спектрах жестко связаны. Это ограничивает разработку устройств: изменение угла падения неизбежно смещает рабочую длину волны. Последствия видны повсюду: «радужные» артефакты в AR-дисплеях, искажения в широкоугольной съемке, снижение точности спектральных измерений из-за перекрестных помех.

Резонансный спектр — зависимость отражения/пропускания света от длины волны, где «пики» соответствуют частотам, на которых система усиленно поглощает или переизлучает свет. Например, цвет крыльев бабочки — результат резонансов в микроструктурах.

Группа ученых под руководством профессоров Цзянь-Вэнь Дун (Университет Сунь Ятсена) и Лей Чжоу (Фуданьский университет) обнаружила, что ключ к решению — направленность излучения оптических мод. Они выяснили: чтобы разорвать связь угла и длины волны, нужны два условия — пространственная инверсионная симметрия и высокая направленность излучения.

Результаты опубликованы в издании eLight.

На практике это реализовали с помощью биметарешеток со сдвигом слоев. Такая конструкция сохраняет симметрию, но нарушает зеркальную, позволяя точно управлять направленностью. Теоретически предсказали: резонансное отражение возникает только при нормальном падении и близко к центральной длине волны. Предложили и универсальные дизайны для селективности под любыми углами и длинами волн.

Направленность излучения работает как волшебный ластик — стирает спектральную подпись света вдоль дисперсионной кривой. Теперь угол и длину волны можно выбирать независимо, — поясняют авторы.

Сложнее всего оказалось изготовить образцы. Тонкие прослойки между слоями должны быть идеально ровными, а сдвиг — точно контролируемым. Ученые разработали метод: многоступенчатое травление, косвенные замеры толщины, послойное напыление с ювелирной точностью. Добились сдвига с погрешностью ~10 нм и создали биметарешетки для ближнего ИК-диапазона.

Эксперименты подтвердили: высокое отражение возникает только при заданных угле и длине волны. Чтобы доказать роль направленности, измерили угловое распределение излучения и количественно оценили его односторонность.

Дальше — больше. Создали биметарешетки миллиметрового размера и показали их работу в системе селективной визуализации: четкое изображение формируется только при 0° и 1342 нм. Это открывает путь к компактным спектральным камерам и оптическим процессорам.

Наша работа не только решает фундаментальную проблему, но и пригодится в AR/VR-дисплеях, тепловом излучении, литографии, — заключают исследователи.

Исследование устраняет главную головную боль оптики — вынужденную связь угла и длины волны. Практические выгоды:

• AR/VR без радуги — дисплеи перестанут искажать цвета под разными углами.
• Спектрометры в смартфонах — миниатюрные датчики смогут точно анализировать состав веществ.
• Точная литография — полупроводниковые фабрики получат инструмент для печати чипов с меньшим браком.
• Ночное видение + спектральный анализ — камеры будут одновременно видеть в темноте и определять материалы объектов.

Метод требует нанометровой точности изготовления, что удорожает производство. Пока неясно, как биметарешетки поведут себя в видимом диапазоне — эксперименты проведены только для ИК. Также не решена проблема узкополосности: устройство работает на одной длине волны, а для многих применений нужна перестройка.

Ранее ученые открыли новую систему управления хаотическим поведением света.