Электроника и фотоника движутся по пути миниатюризации. Уменьшение масштабов уже работающих устройств в определенный момент приводят к тому, что ученые и инженеры вынуждены создавать объекты с атомарной точностью с помощью высоких энергий. Из-за этого становится сложным или невозможным формирование нескольких элементов рядом друг с другом — технологические процессы начинают конфликтовать, возникает риск испортить уже готовые структуры при создании последующих.
Чтобы такого не случалось, разные части фотонных устройств можно формировать отдельно друг от друга, но это сильно усложняет производственную цепочку. Ученые ищут баланс между точностью, качеством и скоростью производства. Пока даже лучшие 3D-принтеры производят грубые трехмерные структуры, оптически неоднородные. Это делает их непригодными для высокоточных оптических систем.
Израильские физики нашли новый метод формирования фотонных структур — фотонное оригами. Он позволяет создавать структуры длиной три миллиметра и толщиной всего полмикрона с помощью лазера. Это рекордное соотношение длины с толщиной для трехмерных объектов. Работа опубликована в журнале Optica.
Метод фотонного оригами обнаружили случайно, когда руководитель исследовательской группы Таль Кармон (Tal Carmon) из Тель-Авивского университета (Израиль) попросил аспирантку Манью Малхотру (Manya Malhotra) определить место невидимого лазерного луча на стекле, увеличивая мощность лазера до появления свечения. Стекло не только засветилось, но и сложилось. Так ученые нашли простой и неожиданный способ управления формой этого материала.
При нагреве одной стороны стекла лазером материал переходит в более жидкое состояние, а поверхностное натяжение становится сильнее гравитации. Это вызывает изгиб в точке воздействия лазера, и стекло складывается в нужную ученым фигуру.
Параметры изгиба можно регулировать с точностью до 0,1 микрорадиана. Используя новый подход, исследователи смогли согнуть стеклянные пластины толщиной до десяти микрон в формы от прямого угла до спиралей. В процессе экспериментов научная группа также смогла создать вогнутые и выпуклые зеркала с поверхностью высокой гладкости, отражающей свет без искажений.
Фотонное оригами позволило исследователям создать сверхлегкую и точную структуру с вогнутым зеркалом в форме перевернутого стола. Ученые надеются с ее помощью исследовать отклонения от ньютоновской гравитации на малых масштабах. Эти эксперименты способны пролить свет на астрономические загадки, связанные с темной материей — областью физики, в которой сегодня наблюдения систематически противоречат теоретическим предсказаниям.
Ученые говорят, что их технология может использоваться для создания микрозум-объективов, способных заменить отдельные камеры в большинстве смартфонов. С ее помощью также возможно изготовление микрофотонных компонентов, использующих свет вместо электричества, что ускорит переход к более быстрым и энергоэффективным альтернативам традиционной электронике в компьютерах.