Физики теоретически рассчитали и на практике продемонстрировали способность наноструктурированных поверхностей — металинз — фокусировать свет не в точку, а в фигуры сложной формы. Для демонстрации авторы показали металинзы с фокусами в виде букв U и M.

Среди потенциальных применений таких устройств может быть производство микроэлектроники, где свет используется для создания необходимых рисунков на поверхности полупроводника в процессе фотолитографии, пишут ученые в препринте на arXiv.org.

Задачей обычных собирающих линз в оптике является изменение траекторий лучей света, которое приводит к концентрации его энергии. Идеальная геометрическая линза фокусирует падающую плоскую волну в одну точку. В реальности существует масса отклонений, связанных с неидеальностью приборов, зависимостью коэффициента преломления от длины волны, волновой природой света и другими.

В последние годы активно развивает область метаматериалов — структурированных на небольшом масштабе тел, в которых строение сильно влияет на взаимодействие с возмущениями. В частности, при помощи подобных веществ ученые пытаются воплотить в реальность аналог шапки-невидимки, то есть устройства, которое меняет ход лучей, заставляя их огибать расположенную внутри область.

Из метаматериалов можно сделать металинзу, которая будет фокусировать свет подобно обычной. Вместе с этим, ее можно наделить дополнительными свойствами, такими как различное преломление в зависимости от поляризации, преодоление стандартного для обычной оптики дифракционного предела и другие. При этом такое изделие является плоским, компактным и весит намного меньше традиционного аналога.

В работе под руководством Мао Е (Mao Ye) из Мичиганского университета предлагается совершенно новое применение металинзам, которое идет вразрез с логикой развития оптики — вместо попыток сконцентрировать пучок света в как можно меньшую область, авторы предлагают делать приборы с фокусами произвольной формы.

Идея новой металинзы заключается в комбинации множества мотивов, каждый из которых фокусирует свет в определенную небольшую область. Параметры подбираются таким образом, чтобы соседние фокальные пятна перекрывались, в результате чего можно сформировать фокус сколь угодно сложной формы. В качестве демонстрации авторы создали относительно простые фокусы в виде букв M и U.

Структура новой металинзы, формируемое ей изображение и его попреченый профиль интенсивности / M. Ye et al. / arXiv.org, 2019

В традиционном смысле как прибор для построения изображения такая линза бесполезна, но исследователи и не преследовали такой цели. Они считают, что их разработка может пригодиться там, где необходимо формировать луч определенной формы. В частности, такие задачи возникают при лазерной резке и отжиге, селективной кристаллизации и других производственных процессах.

Однако главной областью применения физики считают производство полупроводниковых приборов сразу по нескольким причинам. Во-первых, для этого необходимо проводить процесс фотолитографии, который обеспечивает избирательное травление нужного рисунка по поверхности кремниевой пластины. Сегодня используют защитный слой — фотомаску (фотошаблон), которая препятствует облучению закрываемых ею частей. Использование изогнутых фокусов позволит как уменьшить использование фотомасок, так и ускорить процесс фотолитографии. Вторым важным преимуществом является полная совместимость в производстве таких линз с полупроводниковыми микросхемами КМОП.