Como sabe quem recentemente experimentou um headset de realidade aumentada, a tecnologia ainda não está pronta para fazer parte do nosso dia a dia. Os pesquisadores têm trabalhado para aperfeiçoar óculos de realidade aumentada (AR) de alto desempenho, mas há vários desafios. Um grande problema com os óculos AR convencionais é que há uma troca em termos de qualidade e brilho entre a cena externa que você realmente vê e as informações contextuais que você também deseja visualizar.
As primeiras soluções, como o Google Glass, usavam vários componentes ópticos volumosos que eram parcialmente refletivos e parcialmente transmissivos para misturar as cenas do mundo real e contextuais, com o resultado de uma visão esmaecida e distorcida de ambas as cenas.

Os óculos de exibição de cabeça AR mais recentes foram padronizados com grades difrativas (ranhuras finas) com espaçamento de tamanho de comprimento de onda que desviam informações contextuais de um miniprojetor ao lado dos óculos para o olho do espectador. Mas esses óculos ainda escurecem e distorcem a cena externa porque a luz do mundo real que passa pelo vidro inevitavelmente é espalhada e dispersa pelas grades. As distorções pioram quando vários conjuntos de grades sobrepostas devem ser usados ​​para lidar com várias cores distintas do miniprojetor.

Óculos AR que combinam perfeitamente o ambiente externo e informações contextuais para o olho humano seriam muito úteis para muitas aplicações. Como um display head-up, a tecnologia pode fornecer instruções de navegação para alguém dirigindo um carro ou fornecer dados de sensores para o piloto de um avião sem exigir que eles olhem para longe de seus pára-brisas. Como uma tela montada na cabeça, a tecnologia pode permitir que cirurgiões e soldados visualizem informações relacionadas às suas tarefas com facilidade e eficiência sem precedentes.

O vidro precisa não apenas ser altamente transparente em quase todo o espectro visível, permitindo uma visão não atenuada e não distorcida do mundo exterior, mas também funcionar como uma lente altamente eficiente que focaliza a luz de um miniprojetor no olho humano para formar uma imagem visual. contexto que acompanha a cena externa do mundo real.

Estudo demonstra um novo tipo de vidro com formato de frente de onda seletivo de comprimento de onda

Pesquisadores da Columbia Engineering relatam que agora inventaram exatamente esse tipo de vidro. Liderada por Nanfang Yu, professor associado de física aplicada e matemática aplicada, a equipe criou um dispositivo óptico plano que concentra apenas algumas cores de luz de banda estreita selecionadas, permanecendo transparente à luz não selecionada na grande maioria do espectro. O artigo foi publicado on-line em 8 de agosto de 2022, pela Light:Science &Applications .

"Construímos um dispositivo óptico plano muito legal que parece totalmente transparente - como um simples pedaço de vidro - até que você ilumine um feixe de luz com o comprimento de onda correto, quando o dispositivo de repente se transforma em uma lente", disse Yu, líder em pesquisa em nanofotônica. "Para mim, isso é magia óptica."

Metasuperfícies

O grupo de Yu desenvolve dispositivos ópticos planos baseados em metasuperfícies — componentes ópticos ultrafinos — para controlar a propagação da luz no espaço livre e em guias de ondas ópticos. As metasuperfícies são feitas de matrizes bidimensionais (2D) de espalhadores de design, chamadas "antenas ópticas" - uma versão minúscula de antenas de rádio que têm dimensões em escala nanométrica.

A principal característica das metasuperfícies é que os espalhadores ópticos são todos diferentes opticamente. A luz que eles espalham pode ter amplitude, fase ou polarização diferentes, de modo que as metasuperfícies podem introduzir uma resposta óptica espacialmente variável que pode controlar a luz de maneiras extremamente flexíveis. Como resultado, as metasuperfícies possibilitam a realização de funcionalidades que convencionalmente requerem componentes ópticos 3D ou dispositivos com uma área de cobertura muito maior, como foco ou direcionamento de feixes de luz ou comutação de sinais ópticos em chips fotônicos integrados.

Metasuperfícies não locais

A equipe de Yu inventou uma "metasuperfície não local" que pode manipular ondas de luz de maneiras distintas em comprimentos de onda alvo distintos, deixando a luz em comprimentos de onda não direcionados inalterada. Os novos dispositivos exercem controle espacial e espectral sobre a luz selecionando uma cor (espectral) e focando-a (espacial) não apenas em um único comprimento de onda, mas também independentemente em vários comprimentos de onda diferentes.

Por exemplo, um dispositivo demonstrado funciona tanto como uma lente convergente que focaliza a luz em uma cor quanto como uma lente côncava que dispersa a luz em uma segunda cor, enquanto permanece transparente, como uma placa de vidro sem padrão, quando iluminada com luz em cores acima o resto do espectro.

Quebrando a simetria para irradiar luz e moldar sua frente de onda

Esses novos dispositivos se originaram de explorações teóricas de Adam Overvig, um ex-Ph.D. estudante do grupo de Yu e co-autor do estudo, sobre como manipular a simetria em placas de cristal fotônico (PhC), como uma estrutura periódica 2D que é uma matriz quadrada de buracos quadrados definidos em um filme fino de silício. As placas de PhC são conhecidas por suportar um conjunto de modos, cujas frequências ou cores são determinadas pela geometria da placa (por exemplo, periodicidade da matriz e tamanho dos furos).

Os modos são essencialmente uma folha de luz que é estendida espacialmente (não local) ao longo da laje, mas de outra forma confinada na direção normal à laje.

A introdução de uma perturbação de quebra de simetria em uma laje de PhC estruturalmente repetitiva, como simplesmente deformar orifícios quadrados do PhC em retangulares, reduz o grau de simetria do PhC para que os modos não fiquem mais confinados à laje:eles podem ser excitado ao lançar um feixe de luz do espaço livre com a cor correta e também pode irradiar de volta para o espaço livre.

Significativamente, em vez de aplicar uma perturbação uniforme em toda a placa de PhC, os pesquisadores variaram espacialmente a perturbação, orientando os orifícios retangulares ao longo de diferentes direções sobre o dispositivo. Desta forma, a emissão de superfície do dispositivo poderia ter uma frente de onda moldada em relação ao padrão dos ângulos de orientação dos retângulos.

Primeiro a fazer lentes que focalizam a luz apenas da cor desejada

“Esta é a primeira vez que alguém demonstrou experimentalmente dispositivos ópticos seletivos de comprimento de onda e de modelagem de frente de onda usando uma abordagem baseada em perturbações de quebra de simetria”, explicou Stephanie Malek, estudante de doutorado do grupo de Yu e principal autora do estudo. .

"Ao escolher cuidadosamente a geometria inicial do PhC, podemos obter seletividade de comprimento de onda e, adaptando as orientações da perturbação aplicada ao PhC, podemos esculpir a frente de onda da cor de luz selecionada. Isso significa que podemos fazer lentes que focalizam a luz apenas da cor selecionada."

A metasuperfície mais multifuncional e multicolorida até agora

A equipe demonstrou um dispositivo multifuncional que molda as frentes de onda ópticas de forma independente em quatro comprimentos de onda distintos, mas atua como um substrato transparente em outros comprimentos de onda não selecionados.

Isso o torna a metasuperfície mais multifuncional e multicolorida que foi demonstrada até agora e também sugere que, no futuro, as telas AR coloridas podem ser feitas controlando independentemente algumas cores de informações virtuais.

Aplicativos de RA

Essas novas metasuperfícies "não locais" com formato de frente de onda, seletivas para o comprimento de onda, oferecem uma solução promissora para tecnologias de RA, incluindo head-up displays no para-brisa dianteiro dos carros. A lente óptica transparente pode refletir informações contextuais para o olho do espectador em comprimentos de onda de banda estreita selecionados do miniprojetor, ao mesmo tempo em que permite uma visão de banda larga desobstruída e sem escurecimento do mundo real.

E, como as lentes de metasuperfície seletivas de comprimento de onda são mais finas que um cabelo humano, elas são adequadas para desenvolver óculos de RA que parecem óculos confortáveis ​​e elegantes.

Óptica quântica

As metasuperfícies planas de Yu também podem ser usadas para reduzir substancialmente a complexidade das configurações de óptica quântica que manipulam átomos ultrafrios. Como vários feixes de laser em comprimentos de onda distintos precisam ser controlados independentemente para resfriamento, captura e monitoramento de átomos frios, essas configurações podem se tornar enormes.

Essa complexidade tornou difícil para os pesquisadores adotar amplamente átomos frios para uso em relógios atômicos, simulações quânticas e cálculos. Agora, em vez de construir várias portas ao redor da câmara de vácuo para os átomos frios, cada um com seus componentes ópticos únicos de modelagem de feixe, um único dispositivo de metasuperfície pode ser usado para moldar simultaneamente os vários feixes de laser usados ​​no experimento.

Próximo:Demonstrando o conceito na faixa de espectro visível

Os dispositivos neste estudo controlam simultânea e independentemente as frentes de onda de vários feixes de infravermelho próximo usando filmes finos de silício nanoestruturado. A equipe planeja em seguida demonstrar o conceito na faixa espectral visível, para controlar totalmente as frentes de onda de três feixes de laser visíveis de banda estreita usando uma plataforma de dispositivo com baixa perda de absorção no visível, como nitreto de silício de filme fino e dióxido de titânio.

Eles também estão explorando a escalabilidade da plataforma de metasuperfície seletiva de comprimento de onda, incluindo mais de duas perturbações em uma única metasuperfície e empilhando mais de duas metasuperfícies em um dispositivo composto. + Explorar mais

Metasurface projetada para criar três imagens diferentes dependendo da iluminação