site.btaТПС: Случайно откритие може да революционизира обработката на данни, камерите и сензорите

Учени в Израел са разработили новаторски метод за сгъване на стъклени листове в микроскопични триизмерни структури директно върху чип - процес, който те наричат ​​"фотонно оригами", съобщи днес университетът в Тел Авив, цитиран от израелската новинарска агенция ТПС.

Технологията, която може да проправи пътя за нови поколения устройства за обработка на данни, сензори и приспособления за експериментална физика, позволява стъклото да бъде оформено в ултрагладки, високопроизводителни оптични компоненти в мащаб, смятан досега за недостижим.

"Съществуващите 3D принтери произвеждат груби 3D структури, които не са оптически еднородни и следователно не могат да се използват за високопроизводителна оптика", каза професор Тал Кармон, който ръководи изследването в катедра "Електротехника" към инженерния факултет "Флайшман" в университета в Тел Авив. "Имитирайки начина, по който люспите на шишарка се огъват навън, за да освободят семена, нашата лазерно индуцирана техника задейства прецизно огъване в ултратънки стъклени листове и може да се използва за създаване на силно прозрачни, ултрагладки 3D микрофотонни устройства за различни приложения".

Според проучването на екипа лазерно индуцираният процес на сгъване е създал стъклени структури с дължина до 3 милиметра и дебелина само 0,5 микрона - около 200 пъти по-тънки от човешки косъм. Изследователите успешно са оформили стъклото в спирали, както и вдлъбнати и изпъкнали огледала, постигайки толкова гладки повърхности - с по-малко от един нанометър вариация - че светлината се отразява без изкривяване. Констатациите са публикувани в научното Сп. "Оптика" (Optica).

"По подобие на начаина, по който големите 3D принтери могат да създадат почти всеки домакински предмет, "фотонното оригами" може да даде възможност за създаването на различни малки оптични устройства", каза Кармон. "Например, то може да се използва за генериране на микро увеличаващи обективи, които биха могли да заменят петте отделни камери, използвани в повечето смартфони, или за създаване на микрофотонни компоненти, които използват светлина вместо електричество, което помага за преминаването към по-бързи и по-ефективни алтернативи на традиционната електроника в нашите компютри".

Откритието е направено случайно. Кармон помоли докторантката Маня Малхотра да идентифицира мястото, където невидим лазер удря парче стъкло, като увеличи мощността, докато материалът светне. Вместо да свети, стъклото се сгъва.

"Това беше прост, но неочакван момент", спомня си Кармон. Малхотра по-късно стана водещ експерт в това, което групата сега нарича "фотонно оригами".

Физиката зад сгъването е изненадващо елегантна. Когато едната страна на стъкления лист се нагрее с лазер, той за кратко се втечнява. Повърхностното напрежение след това става по-силно от гравитацията, предизвиквайки омекналото стъкло да се сгъва точно там, където е фокусиран лазерът.

За да приложи тази техника в реални условия, лабораторният инженер Ронен Бен Даниел създаде тънки слоеве от силициево стъкло върху силициеви чипове, които бяха гравирани, за да освободят стъклото, като същевременно оставят малки подпори. Използвайки импулси от лазер с въглероден диоксид, екипът демонстрира, че стъклените листове могат да се сгъват за по-малко от една милисекунда, движейки се с 2 метра в секунда с ускорение над 2000 метра в секунда на квадрат. "Беше вълнуващо да видим сгъващия се силициев диоксид под микроскоп", каза Кармон. "Нивото на контрол, което имахме върху 3D микрофотонната архитектура, дойде като приятна изненада - особено като се има предвид, че беше постигнато с проста настройка, включваща само един лазерен лъч, насочен към желаната гънка".

Изследователите огънаха листове с дебелина до 10 микрона във форми, вариращи от прави ъгли до спирали, с точност от 0,1 микрорадиана. Една от най-впечатляващите им демонстрации беше лека сгъваема стъклена маса с вдлъбнато огледало, вградено в основата ѝ. Вдъхновено от теоретичното предложение на П. К. Лам от Австралийския национален университет, устройството по принцип може да бъде оптично левитирано, за да се изследват евентуални отклонения от Нютоновата теория за гравитацията в много малки мащаби - експерименти, които биха могли да хвърлят светлина върху космически загадки като тъмната материя.

Потенциалните приложения са широкообхватни. "Фотонното оригами" може да създаде микро-увеличителни обективи, които да заменят множеството обективи с фиксиран фокус, които сега се намират в повечето телефони. Вместо да се използват пет отделни камери за широкоъгълни, стандартни и телефото снимки, една сгъната стъклена структура би могла да изпълнява всички тези функции.

Малки, високопроизводителни оптични устройства могат да бъдат интегрирани в чипове за медицинска диагностика, мониторинг на околната среда и индустриално наблюдение, където размерът и прецизността са критични. Ултрагладките микроогледала и вълноводи, направени чрез фотонно оригами, биха могли да подобрят оптичните мрежи, позволявайки по-компактно и ефективно маршрутизиране на данни върху чиповете.

В областта на оптичните изчисления, сгъването на ултрагладко стъкло в прецизни 3D компоненти би могло да помогне за изграждането на микрофотонни схеми, които използват светлина вместо електричество, поддържайки по-бърза и по-ефективна обработка на данни в сравнение със силициевата електроника.

Сгъваемата оптика може да бъде интегрирана и в сателити, дронове или други системи, където размерът, теглото и издръжливостта са от значение.

"Високопроизводителна 3D микрофотоника не е била демонстрирана преди това", каза Кармон. "Тази нова техника пренася силициевата фотоника - използваща стъкло за насочване и контрол на светлината - в третото измерение, отваряйки изцяло нови възможности за високопроизводителни, интегрирани оптични устройства", обобщи той.

(Тази информация се разпространява по споразумение между БТА и ТПС)