Come sa chiunque abbia provato di recente un visore per realtà aumentata, la tecnologia non è ancora pronta per far parte della nostra vita quotidiana. I ricercatori hanno lavorato per perfezionare gli occhiali per realtà aumentata (AR), ma ci sono una serie di sfide. Uno dei principali problemi con gli occhiali AR convenzionali è che esiste un compromesso in termini di qualità e luminosità tra la scena esterna che si vede effettivamente e le informazioni contestuali che si desidera visualizzare.

Le prime soluzioni come Google Glass utilizzavano più componenti ottici ingombranti che erano parzialmente riflettenti e parzialmente trasmissivi per mescolare scene del mondo reale e contestuali, con il risultato di una visione offuscata e distorta di entrambe le scene.

Occhiali da vista AR montati sulla testa più recenti sono stati modellati con reticoli diffrattivi (sottili solchi) con spaziatura della lunghezza d'onda che deviano le informazioni contestuali da un miniproiettore accanto agli occhiali verso l'occhio dello spettatore. Ma questi occhiali ancora oscurano e distorcono la scena esterna perché la luce del mondo reale che passa attraverso il vetro viene inevitabilmente dispersa e dispersa dalle grate. Le distorsioni peggiorano quando è necessario utilizzare diversi set di reticoli sovrapposti per gestire più colori distinti dal miniproiettore.

Gli occhiali AR che fondono perfettamente l'ambiente esterno e le informazioni contestuali per l'occhio umano sarebbero molto utili per molte applicazioni. Come display head-up, la tecnologia potrebbe fornire istruzioni di navigazione a qualcuno che guida un'auto o fornire dati dai sensori al pilota che pilota un aereo senza richiedere loro di distogliere lo sguardo dal parabrezza. Come display montato sulla testa, la tecnologia potrebbe consentire a chirurghi e soldati di visualizzare le informazioni relative ai loro compiti a portata di mano con facilità ed efficienza senza precedenti.

Il vetro non deve solo essere altamente trasparente su quasi l'intero spettro visibile, consentendo una visione non attenuata e non distorta del mondo esterno, ma deve anche funzionare come una lente altamente efficiente che focalizza la luce di un miniproiettore nell'occhio umano per formare una visuale contesto che accompagna la scena del mondo reale esterno.

Lo studio dimostra un nuovo tipo di vetro selettivo in lunghezza d'onda e modellante il fronte d'onda

I ricercatori della Columbia Engineering riferiscono di aver inventato proprio questo tipo di vetro. Guidato da Nanfang Yu, professore associato di fisica applicata e matematica applicata, il team ha creato un dispositivo ottico piatto che concentra solo alcuni colori di luce a banda stretta selezionati pur rimanendo trasparente alla luce non selezionata sulla stragrande maggioranza dello spettro. Il documento è stato pubblicato online l'8 agosto 2022 da Light:Science &Applications .

"Abbiamo costruito un dispositivo ottico piatto molto interessante che appare completamente trasparente, come un semplice pezzo di vetro, fino a quando non si illumina un raggio di luce con la lunghezza d'onda corretta su di esso, quando il dispositivo si trasforma improvvisamente in una lente", ha affermato Yu, leader nella ricerca sulla nanofotonica. "Per me questa è magia ottica."

Metasuperfici

Il gruppo di Yu sviluppa dispositivi ottici piatti basati su metasuperfici, componenti ottici ultrasottili, per controllare la propagazione della luce nello spazio libero e in guide d'onda ottiche. Le metasuperfici sono costituite da array bidimensionali (2D) di scatterer di design, chiamati "antenne ottiche", una versione minuscola di antenne radio che hanno dimensioni su scala nanometrica.

La caratteristica fondamentale delle metasuperfici è che gli scatterer ottici sono otticamente tutti differenti. La luce che diffondono può avere ampiezza, fase o polarizzazione diverse, in modo che le metasuperfici possano introdurre una risposta ottica spazialmente variabile in grado di controllare la luce in modi estremamente flessibili. Di conseguenza, le metasuperfici consentono di realizzare funzionalità che convenzionalmente richiedono componenti ottici 3D o dispositivi con un ingombro molto più ampio, come la focalizzazione o la guida di fasci di luce o la commutazione di segnali ottici su chip fotonici integrati.

Metasuperfici non locali

Il team di Yu ha inventato una "metasuperficie non locale" in grado di manipolare le onde luminose in modi distinti a lunghezze d'onda mirate distinte, lasciando inalterata la luce a lunghezze d'onda non mirate. I nuovi dispositivi esercitano un controllo sia spaziale che spettrale sulla luce selezionando un colore (spettrale) e focalizzandolo (spaziale) non solo su una singola lunghezza d'onda ma anche indipendentemente su più lunghezze d'onda diverse.

Ad esempio, un dispositivo dimostrato funziona sia come lente convergente che focalizza la luce su un colore, sia come lente concava che disperde la luce in un secondo colore, pur rimanendo trasparente, come una lastra di vetro senza motivo, quando illuminata con luce a colori sopra il resto dello spettro.

Rompere la simmetria per irradiare luce e modellare il suo fronte d'onda

Questi nuovi dispositivi hanno avuto origine dalle esplorazioni teoriche di Adam Overvig, un ex Ph.D. studente del gruppo di Yu e coautore dello studio, su come manipolare la simmetria nelle lastre di cristallo fotonico (PhC), come una struttura periodica 2D che è una matrice quadrata di fori quadrati definiti in una sottile pellicola di silicio. È noto che le lastre PhC supportano un insieme di modalità, le cui frequenze o colori sono determinati dalla geometria della lastra (ad esempio, periodicità della matrice e dimensione dei fori).

Le modalità sono essenzialmente un foglio di luce che è spazialmente esteso (non locale) lungo la lastra ma altrimenti confinato nella direzione normale alla lastra.

L'introduzione di una perturbazione che rompe la simmetria su una lastra PhC strutturalmente ripetitiva, ad esempio semplicemente deformando i fori quadrati del PhC in rettangolari, abbassa il grado di simmetria del PhC in modo che le modalità non siano più confinate alla lastra:possono essere eccitato facendo brillare un raggio di luce dallo spazio libero con il colore corretto e può anche irradiarsi di nuovo nello spazio libero.

Significativamente, invece di applicare una perturbazione uniforme sull'intera lastra PhC, i ricercatori hanno variato spazialmente la perturbazione, orientando i fori rettangolari lungo diverse direzioni sul dispositivo. In questo modo, l'emissione superficiale del dispositivo potrebbe avere un fronte d'onda modellato in relazione all'andamento degli angoli di orientamento dei rettangoli.

I primi a realizzare obiettivi che mettono a fuoco la luce del colore desiderato

"Questa è la prima volta che qualcuno ha dimostrato sperimentalmente dispositivi ottici selettivi in ​​lunghezza d'onda e modellanti il ​​fronte d'onda utilizzando un approccio basato su perturbazioni che rompono la simmetria", ha spiegato Stephanie Malek, una studentessa di dottorato nel gruppo di Yu che è stata autrice principale dello studio .

"Scegliendo con cura la geometria PhC iniziale, possiamo ottenere la selettività della lunghezza d'onda e adattando gli orientamenti della perturbazione applicata al PhC, possiamo scolpire il fronte d'onda del colore della luce selezionato. Ciò significa che possiamo realizzare lenti che focalizzano la luce del solo colore selezionato."

La metasuperficie più multifunzionale e multicolore di sempre

Il team ha dimostrato un dispositivo multifunzionale che modella i fronti d'onda ottici indipendentemente a quattro lunghezze d'onda distinte, ma agisce come un substrato trasparente ad altre lunghezze d'onda non selezionate.

Ciò la rende la metasuperficie multifunzionale e multicolore più altamente multifunzionale che sia stata dimostrata finora e suggerisce anche che in futuro i display AR a colori possono essere realizzati controllando in modo indipendente alcuni colori di informazioni virtuali.

Applicazioni AR

Queste nuove metasuperfici "non locali" selettive in lunghezza d'onda, che modellano il fronte d'onda, offrono una soluzione promettente per le tecnologie AR, compresi i display head-up sul parabrezza anteriore delle auto. La lente ottica trasparente può riflettere le informazioni contestuali all'occhio dell'osservatore a determinate lunghezze d'onda a banda stretta del miniproiettore, consentendo anche una visione a banda larga libera, non oscurata e del mondo reale.

Inoltre, poiché le lenti della metasuperficie selettiva per lunghezza d'onda sono più sottili di un capello umano, sono adatte per lo sviluppo di occhiali AR che sembrano occhiali comodi e alla moda.

Ottica quantistica

Le metasuperfici piatte di Yu possono anche essere utilizzate per ridurre sostanzialmente la complessità delle configurazioni di ottica quantistica che manipolano atomi ultrafreddi. Poiché più raggi laser a lunghezze d'onda distinte devono essere controllati in modo indipendente per il raffreddamento, l'intrappolamento e il monitoraggio degli atomi freddi, queste configurazioni possono diventare enormi.

Questa complessità ha reso difficile per i ricercatori l'adozione su vasta scala di atomi freddi da utilizzare negli orologi atomici, nelle simulazioni quantistiche e nei calcoli. Ora, invece di costruire diverse porte attorno alla camera a vuoto per gli atomi freddi, ciascuna con i suoi componenti ottici di modellazione del raggio unici, un singolo dispositivo di metasuperficie può essere utilizzato per modellare simultaneamente i raggi laser multipli utilizzati nell'esperimento.

Cosa c'è dopo:dimostrazione del concetto nell'intervallo dello spettro visibile

I dispositivi in ​​questo studio controllano simultaneamente e indipendentemente i fronti d'onda di diversi fasci nel vicino infrarosso utilizzando film sottili di silicio nanostrutturato. Il team prevede poi di dimostrare il concetto nella gamma spettrale del visibile, per controllare completamente i fronti d'onda di tre raggi laser visibili a banda stretta utilizzando una piattaforma di dispositivi con bassa perdita di assorbimento nel visibile, come nitruro di silicio a film sottile e biossido di titanio.

Stanno anche esplorando la scalabilità della piattaforma della metasuperficie selettiva per lunghezza d'onda includendo più di due perturbazioni in una singola metasuperficie e impilando più di due metasuperfici in un dispositivo composto. + Esplora ulteriormente

Metasuperficie progettata per creare tre immagini diverse a seconda dell'illuminazione