Оптическое устройство на базе топологической темноты и оптический элемент для него Российский патент 2023 года по МПК G02B27/18 B82Y20/00 

Изобретение относится к области нанофотоники, а именно, к проекционному оптическому устройству на основе плоского дифракционного оптического элемента и может быть использовано для создания виртуального изображения объектов в поле зрения при формировании виртуальной, дополненной или расширенной реальности (VR/AR/XR), а также для формирования иных оптических элементов, например, оптических дифференциаторов, линз, объективов и т.д.

Из уровня техники известно оптическое устройство для формирования дополненной реальности (AR), содержащее оптический элемент в виде прозрачного голографического экрана (например, лобового стекла автомобиля) и проекционное устройство, которое фокусирует изображение от излучателя на объемной голограмме (см. публикацию US 2015362734 A1, кл. G02B 27/01, G02B 5/32, G02C 7/04, G03H 1/02, G03H 1/04, G03H 1/18, опубл. 17.12.2015). Недостатками известного решения является сложность изготовления, относительно невысокая дифракционная эффективность голографического дисплея, невозможность создания гибкого устройства, а также большая толщина голографического экрана.

Из уровня техники известен светопрозрачный конструктивный оптический элемент, содержащий первый оптически прозрачный слой с наноструктурированной стеклянной поверхностью, для которой часть наноплоскостей составляет угол 10-90° с плоскостью этого слоя, и второй прерывистый металлический слой толщиной от 1 до 50 нм, покрывающий, по меньшей мере, часть указанных наноплоскостей (см. публикацию AU 2014292323 A1, кл. B82Y 20/00, B82Y 30/00, G02B 5/18, G02B 5/20, опубл. 07.01.2016). В известном оптическом элементе второй слой получают путем частичной металлизации наноструктурированной поверхности путем осаждения из газовой фазы, напыления, печати, литья или штамповки, при этом полное покрытие поверхности металлом предотвращают с помощью теневой маски или фоторезистивных техник. Такой элемент может быть использован для изменения пропускания солнечного света, например, через окно при сохранении его прозрачности. Недостатками технического решения являются сложность технологического процесса получения металлических наноплоскостей под углом к подложке (относительно легко получаются только металлические наноструктуры под углом 90°), а также недостаточно высокое качество периодичности таких наноструктур (при толщине нанесенного металлического слоя 1-75 нм шероховатость составляет до 5-10 нм). Кроме того такой оптический элемент влияет на спектр пропускания на всех длинах волн, а полученную структуру нельзя переносить на другую поверхность.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является плоская оптика на основе двумерных планарных материалов, например, атомарно тонких дихалькогенидов переходных металлов, которая позволяет реализовать эффект топологической темноты (см. Georgy Ermolaev, Kirill Voronin, Denis G. Baranov, Vasyl Kravets, Gleb Tselikov, Yury Stebunov, Dmitry Yakubovsky, Sergey Novikov, Andrey Vyshnevyy, Arslan Mazitov, Ivan Kruglov, Sergey Zhukov, Roman Romanov, Andrey M. Markeev, Aleksey Arsenin, Kostya S. Novoselov, Alexander N. Grigorenko & Valentyn Volkov. Topological phase singularities in atomically thin high-refractive-index materials // NATURE COMMUNICATIONS | (2022) 13:2049 | https://doi.org/10.1038/s41467-022-29716-4). На основе таких тонких оптических элементов могут быть спроектированы ультракомпактные настраиваемые оптические устройства, совместимые с комплементарными структурами металл-оксид-полупроводник (CMOS). При этом топологический подход (использование топологически защищенных нулей простой гетероструктуры) открывает новые возможности для эффективного применения атомарно тонких материалов с высоким коэффициентом преломления и ненулевыми оптическими потерями в качестве фазовых материалов в фотонике. Основными недостатками известного решения является непрозрачность используемой подложки (оксид кремния на кремнии), ее негибкость и необходимость работы в реализованном нуле в канале рассеяния, что ограничивает его применение и не позволяет использовать для заворота изображения, требуемого для AR/VR/XR приложений. Кроме того, известные структуры не могут быть использованы совместно с проекционной системой и их нельзя переносить на произвольную поверхность.

Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание технических решений на основе эффекта топологической темноты, которые могут быть использованы для проецирования и обработки виртуального изображения.

Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей плоской оптики для ультратонких структур.

Поставленная проблема решается, а технический результат достигается в части оптического устройства тем, что оно содержит источник оптического излучения с длиной волны в его спектре, выполненный в виде проектора изображений, и планарный в плоскости (х,у) оптический элемент, нормаль которого составляет угол с оптической осью указанного источника оптического излучения, причем оптический элемент содержит, по меньший мере, первый слой оптически прозрачного диэлектрика толщиной и диэлектрической проницаемостью второй слой поглощающего двумерного материала толщиной и диэлектрической проницаемостью и оптически прозрачную подложку диэлектрической проницаемостью причем указанные слои и подложка выполнены с образованием точки топологической темноты для которой абсолютное значение интеграла фазы комплексной амплитуды рассеяния падающего излучения на указанный оптический элемент под углом с длиной волны по замкнутому контуру L: где L - эллипс с центром в точке и полуосями и ds - дифференциал в пространстве λ, θ, а и для указанного источника излучения лежит внутри указанного контура эллипса L. Первый и/или второй слой может быть выполнен пространственно-модулированным по толщине: Второй слой предпочтительно выполнен из золота, меди, серебра или алюминия толщиной не более 30 нм. Второй слой также может быть выполнен из ZnO, TiO₂, ZnS, MgO, BeO, PbF₂, CsI, HfO₂, Sc₂O₃, SiN, GaP, CsPbBr₃, CsPbCl₃, CsPbI₃, GaN, YVO₄, MgAlO, YAIO, LuAlO, AlSb, GaSb, InSb, AlAs, GaAs, InAs, ВС, SiC, TiC, VC, CsCl, CuCl, BaF, CeF₃, LaF₃, LiF, SrF₂, LiI, KI, RbI, CaMoO₄, SrMoO₄, PbMoO₄, LiNbO₃, KNbO₃, VN, ZrO₂, GeO₂, TeO₂, WO₃, Fe₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, Nb₂O₅, Ta₂O₅, Fe₃O₄, InP, CdSe, PbSe, ZnSe, AgGaS₂, CdGa₂S₄, CdS, CuGaS₂, CdTe, Те, ZnTe, BaTiO₃, Bi₄Ti₃O₁₂, PbTiO₃, SrTiO₃, алмаза, графита, графена, оксида графена, MoS₂, WS₂, MoSe₂, WSe₂, Cd₃As₂, Cd₃Sb₂, Cr₂AlC, Cr₂C, Mn₂AlC, Mo₂C, Mo₂Ga₂C, Mo₃AlC₂, Nb₂AlC, Nb₂C, Nb₄AlC₃, Nb₄C₃, Ta₂C, Ta₄AlC₃, Ti₂AlC, Ti₂AlN, Ti₂C, Ti₂N, Ti₃AlC₂, Ti₃C₂, Ti₃CN, Ti₃SiC₂, Ti₄N₃, V₂AlC, V₂C, V₄AlC₃, V₄C₃, SnS₂, SnSe₂, ReS₂, ReSe₂, hBN, GaSe, Sb₂Te₃, PdS₂, PdSe₂, PtS₂, PtSe₂, GaS, GaTe, Ca(OH)₂, K(FeMg)₃Si₃AlO₁₀(OH)₂, Mg(OH)₂, MnO₂, MoO₃, Sb₂O₃, Sb₂OS₂, Sb₂Se₃, Sb₂S₃, As₂S₃, As₂Te₃, Bi₂O₂Se, Bi₂Se₃, Bi₂TeO₂, BiSbTe₃, Bi₂S₃, Bi₂Te₃, AsP, CdI₂, CdPS₃, CuS, CoPS₃, Cr₂Ge₂Te₆, Cr₂S₃, CrBr₃, CrCl₃, CrGeTe₃, CrPS₄, CrSeBr, CuCrP₂S₆, CuIn₇Se₁₁, FeCl₂, FePS₃, FePSe₃, MoTe₂, GaGeTe, GaInS₃, GaSeTe, GaSSe, GaPS₄, GaSTe, GeAs, GeSe, GeS, GeS₂, GeTe, HfSe₂, HfS₂, HfTe₂, In₂S₃, In₂Se₃, InSe, InTe, InGaSe₂, InSeBr, InSnSe, MnPS₃, MnPSe₃, MoSSe, MoWSe₂, MoWS₂, MoWTe₂, MoNbSe₂, MoO_2.5Cl_0.5, MoReS₂, MoTaSe₂, MoVSe₂, Na₂Co₂TeO₆, Nb₂SiTe₄, NbReS₂, NbReSe₂, NbS₃, Ni₂SiTe₄, Ni₃TeO₆, NiCl₂, NiI₂, NiPS₃, PbI₂, PbTe, PtTe₂, ReMoS₂, ReNbS₂, ReNbSe₂, ReSSe, SbAsS₃, SbSe, SbSI, SiP, SnPSe₃, SnS, Ta₂NiS₅, TaS₂, TaS₃, TaSe₂, TaWSe₂, TISe, TiBr₃, SnTe₂, TiS₃, TlGaS₂, TlGaSe₂, TlGaTe₂, TlInS₂, WTe₂, WSSe, WNbSe₂, WReSe₂, ZrS₂, ZnIn₂S₄, ZnPS₃, ZnPSe₃, ZrGeTe₄, ZrS₃, ZrSe₂, ZrSe₃, ZrTe₂, ZrTe₃, Cr₂Si₂Te₆, Cr₂Te₃, CrI₃, CrSBr, CrTe₂, Fe₃GeTe₂, Fe₄GeTe₂, TaCo₂Te₂, VS₂, VSe₂, VTe₂, BiSbTeSe, BiTe, CuFeTe, HfTe₅, FeSe, FeTeSe, FeTe, NbS₂, NbSe₂, NbTe₂, NbTe₄, NiTe₂, PdBi₂, PdTe₂, SnTaS₂, TaTe₂, TiTe₂, Tl₂Ba₂CaCu₂O₈, ZrSiS, CdAs₂, CuSi₂P₃, NbAs₂, PbTaSe₂, Ta₂NiSe₅, Ta₂NiTe₅, Ta₂Se₈I, TaNi₂Te₃, TiS₂, TiSe₂, WNbTe₂, ZnAs₂, ZrTe₅, LaTe₂, NbSe₃, Bi₂SeTe₂, Bi₂Te₂S, BiInTe₃, Bi₂Se_1.5Te_1.5, Bi₄Te_1.5S_1.5, GeBi₂Te₄, PbBi₂Te₄, SnBi₄Te₇, SnSb₂Te₄, NiTe, SbTe, SiTe₂, BiTeI, InSSe, PbSnS₂, TlGaS₃, C₃N₄, Cu₂Te, GeSeTe, MnTe, As₂Se₃, CrPS₃, SnSe, WReS₂, TiBr, BaTiS₃, Al₂O₃, BiFeO₃, Ag₃AsS₃, HgS, висмут стронций кальция оксида меди, черного мышьяка или черного фосфора. Источник оптического излучения предпочтительно выполнен линейно поляризованным и монохроматическим с центральной длиной волны Указанная фаза может являться фазой комплексной амплитуды рассеяния излучения в канале отражения, при этом оптический элемент выполнен в соответствии с условием: для s- или p-поляризации, где - коэффициент отражения оптического элемента, для s-поляризации, для p-поляризации, i, j - порядковый номер слоя, диэлектрическая проницаемость i-го слоя, - толщина i-го слоя, - диэлектрическая проницаемость среды, из которой падает излучение. В другом варианте фаза является фазой комплексной амплитуды рассеяния излучения в канале пропускания, при этом оптический элемент выполнен в соответствии с условием: для s- или p-поляризации, где - коэффициент пропускания оптического элемента для s-поляризации, для p-поляризации, i, j - порядковый номер слоя, диэлектрическая проницаемость i-го слоя, - толщина i-го слоя, - диэлектрическая проницаемость среды, из которой падает излучение.

Поставленная проблема решается, а технический результат достигается в части оптического элемента тем, что он содержит, по меньшей мере, последовательно расположенные первый слой оптически прозрачного диэлектрика толщиной и диэлектрической проницаемостью и второй слой поглощающего материала толщиной и диэлектрической проницаемостью и при этом снабжен адгезивным слоем, нанесенным на свободную поверхность первого или второго слоя, причем указанные слои выполнены с образованием точки топологической темноты посредством того, что первый слой выполнен в виде полимерной пленки толщиной с а второй слой выполнен из металла толщиной с Второй слой предпочтительно выполнен из золота, меди, серебра или алюминия и выполнен пространственно-модулированным по толщине, например, в виде дифракционной решетки.

На фиг. 1 представлена общая схема предлагаемого оптического устройства;

на фиг. 2 - пример распределения фазы вокруг точки топологической темноты в пространстве параметров длина волны λ и угол падения θ;

на фиг. 3 - схема определения распределения фазы по плоскости (х, у) оптического элемента с помощью эллипсометра.

Предлагаемое оптическое устройство представляет собой жестко закрепленные друг относительно друга источник 1 оптического излучения и планарный в плоскости (х,у) оптический элемент 2.

В качестве источника 1 оптического излучения можно использовать, например, широкополосный многоцветный проектор изображений на основе RGB матрицы светодиодов или лазерный проектор изображений с линейно поляризованным и монохроматическим с излучением с центральной длиной волны Источник 1 оптического излучения устанавливают таким образом, чтобы его оптическая ось составляла угол с нормалью n оптического элемента 2.

Сам оптический элемент 2 выполняют в виде гетероструктуры, содержащей вдоль оси z, по меньший мере, первый слой 3 оптически прозрачного диэлектрика (на фиг. 1: толщиной и диэлектрической проницаемостью ), второй слой 4 поглощающего двумерного материала (на фиг. 1: толщиной и диэлектрической проницаемостью ) и оптически прозрачную подложку 5 (диэлектрической проницаемостью ). Толщина слоя 4 поглощающего двумерного материала ограничена сверху значением 100 нм для обеспечения выполнения условия его прозрачности. Для определенных применений гетероструктура может содержать большее количество слоев, расположенных в различном порядке: внешним может быть как диэлектрический слой 3, так и поглощающий слой 4 (т.е. термины «первый» и «второй» здесь не определяют последовательность расположения слоев).

Слои гетероструктуры (для выбранного материала подложки 5) выполняют таким образом, чтобы образовать точку топологической темноты близкую к и используемого источника 1 оптического излучения. Это значит, что за счет топологической структуры (состава и толщины слоев) оптический элемент 2 имеет нулевую амплитуду в одном из каналов рассеяния, например, в канале отражение или в канале пропускания (описание отражения и пропускания как частных случаев рассеяния приведено, например, в работе Temporal coupled-mode theory for the Fano resonance in optical resonators, Shanhui Fan, Wonjoo Suh, and J.D. Joannopoulos, Journal of the Optical Society of America A Vol. 20, Issue 3, pp. 569-572, 2003, DOI: 10.1364/JOSAA.20.000569). За счет этого значительно (до 10%) может возрастать диффракционная эффективность в другом канале, что позволяет создать достаточно яркое виртуальное изображение с помощью оптического элемента 2, полностью прозрачного в диапазоне от 300 нм до 2 мкм.

Точкой топологической темноты оптического элемента 2 будет являться такая точка для которой абсолютное значение интеграла фазы комплексной амплитуды рассеяния падающего излучения на указанный оптический элемент под углом с длиной волны по замкнутому контуру L:

где L - эллипс с центром в точке и полуосями и ds - дифференциал в пространстве λ, θ,

а и для указанного источника излучения лежит внутри указанного контура L.

Данный эллипс L определяет рабочий диапазон длин волн и углов, при которых эффективно работает предлагаемое оптическое устройство. Выбор численных значений полуосей эллипса L обусловлен результатами моделирования и экспериментов: при больших значениях и (более мягкое условие соответствия) слабо наблюдается эффект топологической темноты и значительно падает интенсивность излучения в нужный канал рассеяния (например, заворот излучения от проектора в глаза пользователя), а при меньших значениях и (более строгое условие соответствия) значительно возрастает трудоемкость юстировки устройства (позиционирования источника излучения 1 относительно оптического элемента 2).

То есть точкой А топологической темноты оптического элемента 2 будут являться такие значения длины волны и угла наклона вблизи которых фаза рассеянного излучения изменяется крайне быстро, т.е. различие фаз между противоположными точками эллипса L составляет не менее π/2.

Определить распределение фазы оптического элемента 2 можно с помощью метода эллипсометрии (фиг. 3) в режиме отражения/пропускания/рассеяния. Указанный метод позволяет непосредственно измерять детектором 6 фазу отраженного от образца поляризованного излучения для множества длин волн и углов наклона пробного источника 7 вокруг исследуемой на сингулярность точки А. Если среди эллипсов в пространстве с центром в рассматриваемой точке А и главными полуосями и найдется такой эллипс, для которого абсолютное значение интеграла градиента фазы будет больше то точка может считаться фазовой сингулярностью, т.е. точкой топологической темноты. Таким образом, для создания оптического устройства на основе такого оптического элемента 2 необходимо использовать соответствующий источник 1 оптического излучения, т.е. проектор изображений, для которого и лежат внутри указанного контура L.

Рассчитать параметры оптического элемента 2 можно, исходя из следующих соображений.

Если фаза является фазой комплексной амплитуды рассеяния излучения в канале отражения, то для реализации эффекта топологической темноты оптический элемент 2 должен быть выполнен в соответствии с условием:

для s- или p-поляризации,

где - коэффициент отражения оптического элемента 2, а другие составляющие формулы определяются как:

коэффициент отражения для интерфейса материалов i и j для s-поляризации,

коэффициент отражения для интерфейса материалов i и j для p-поляризации,

i, j - порядковый номер слоя (по направлению снаружи внутрь, к подложке оптического элемента 2),

- диэлектрическая проницаемость i-го слоя,

- толщина i-го слоя,

- диэлектрическая проницаемость среды, из которой падает излучение.

Если же фаза является фазой комплексной амплитуды рассеяния излучения в канале пропускания, то для реализации эффекта топологической темноты оптический элемент 2 должен быть выполнен в соответствии с условием:

для s- или p-поляризации,

где - коэффициент пропускания оптического элемента 2 в целом,

коэффициент отражения для интерфейса материалов i и j для s-поляризации,

коэффициент отражения для интерфейса материалов i и j для p-поляризации,

i, j - порядковый номер слоя (по направлению снаружи внутрь, к подложке оптического элемента 2),

- диэлектрическая проницаемость i-го слоя,

- толщина i-го слоя,

- диэлектрическая проницаемость среды, из которой падает излучение.

На практике для реализации условия прозрачности поглощающий слой 4 целесообразно выполнять толщиной не более 30 нм, например из металла (золота, меди, серебра или алюминия) или иного высокорефрактивного материала (ZnO, TiO₂, ZnS, MgO, BeO, PbF₂, CsI, HfO₂, Sc₂O₃, SiN, GaP, CsPbBr₃, CsPbCl₃, CsPbI₃, GaN, YVO₄, MgAlO, YAlO, LuAlO, AlSb, GaSb, InSb, AlAs, GaAs, InAs, ВС, SiC, TiC, VC, CsCl, CuCl, BaF, CeF₃, LaF₃, LiF, SrF₂, LiI, KI, RbI, CaMoO₄, SrMoO₄, PbMoO₄, LiNbO₃, KNbO₃, VN, ZrO₂, GeO₂, TeO₂, WO₃, Fe₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, Nb₂O₅, Ta₂O₅, Fe₃O₄, InP, CdSe, PbSe, ZnSe, AgGaS₂, CdGa₂S₄, CdS, CuGaS₂, CdTe, Те, ZnTe, BaTiO₃, Bi₄Ti₃O₁₂, PbTiO₃, SrTiO₃, алмаза, графита, графена, оксида графена, MoS₂, WS₂, MoSe₂, WSe₂, Cd₃As₂, Cd₃Sb₂, Cr₂AlC, Cr₂C, Mn₂AlC, Mo₂C, Mo₂Ga₂C, Mo₃AlC₂, Nb₂AlC, Nb₂C, Nb₄AlC₃, Nb₄C₃, Ta₂C, Ta₄AlC₃, Ti₂AlC, Ti₂AlN, Ti₂C, Ti₂N, Ti₃AlC₂, Ti₃C₂, Ti₃CN, Ti₃SiC₂, Ti₄N₃, V₂AlC, V₂C, V₄AlC₃, V₄C₃, SnS₂, SnSe₂, ReS₂, ReSe₂, hBN, GaSe, Sb₂Te₃, PdS₂, PdSe₂, PtS₂, PtSe₂, GaS, GaTe, Ca(OH)₂, K(FeMg)₃Si₃AlO₁₀(OH)₂, Mg(OH)₂, MnO₂, MoO₃, Sb₂O₃, Sb₂OS₂, Sb₂Se₃, Sb₂S₃, As₂S₃, As₂Te₃, Bi₂O₂Se, Bi₂Se₃, Bi₂TeO₂, BiSbTe₃, Bi₂S₃, Bi₂Te₃, AsP, CdI₂, CdPS₃, CuS, CoPS₃, Cr₂Ge₂Te₆, Cr₂S₃, CrBr₃, CrCl₃, CrGeTe₃, CrPS₄, CrSeBr, CuCrP₂S₆, CuIn₇Se₁₁, FeCl₂, FePS₃, FePSe₃, MoTe₂, GaGeTe, GaInS₃, GaSeTe, GaSSe, GaPS₄, GaSTe, GeAs, GeSe, GeS, GeS₂, GeTe, HfSe₂, HfS₂, HfTe₂, In₂S₃, In₂Se₃, InSe, InTe, InGaSe₂, InSeBr, InSnSe, MnPS₃, MnPSe₃, MoSSe, MoWSe₂, MoWS₂, MoWTe₂, MoNbSe₂, MoO_2.5Cl_0.5, MoReS₂, MoTaSe₂, MoVSe₂, Na₂Co₂TeO₆, Nb₂SiTe₄, NbReS₂, NbReSe₂, NbS₃, Ni₂SiTe₄, Ni₃TeO₆, NiCl₂, NiI₂, NiPS₃, PbI₂, PbTe, PtTe₂, ReMoS₂, ReNbS₂, ReNbSe₂, ReSSe, SbAsS₃, SbSe, SbSI, SiP, SnPSe₃, SnS, Ta₂NiS₅, TaS₂, TaS₃, TaSe₂, TaWSe₂, TISe, TiBr₃, SnTe₂, TiS₃, TlGaS₂, TlGaSe₂, TlGaTe₂, TlInS₂, WTe₂, WSSe, WNbSe₂, WReSe₂, ZrS₂, ZnIn₂S₄, ZnPS₃, ZnPSe₃, ZrGeTe₄, ZrS₃, ZrSe₂, ZrSe₃, ZrTe₂, ZrTe₃, Cr₂Si₂Te₆, Cr₂Te₃, CrI₃, CrSBr, CrTe₂, Fe₃GeTe₂, Fe₄GeTe₂, TaCo₂Te₂, VS₂, VSe₂, VTe₂, BiSbTeSe, BiTe, CuFeTe, HfTe₅, FeSe, FeTeSe, FeTe, NbS₂, NbSe₂, NbTe₂, NbTe₄, NiTe₂, PdBi₂, PdTe₂, SnTaS₂, TaTe₂, TiTe₂, Tl₂Ba₂CaCu₂O₈, ZrSiS, CdAs₂, CuSi₂P₃, NbAs₂, PbTaSe₂, Ta₂NiSe₅, Ta₂NiTe₅, Ta₂Se₈I, TaNi₂Te₃, TiS₂, TiSe₂, WNbTe₂, ZnAs₂, ZrTe₅, LaTe₂, NbSe₃, Bi₂SeTe₂, Bi₂Te₂S, BiInTe₃, Bi₂Se_1.5Te_1.5, Bi₄Te_1.5S_1.5, GeBi₂Te₄, PbBi₂Te₄, SnBi₄Te₇, SnSb₂Te₄, NiTe, SbTe, SiTe₂, BiTeI, InSSe, PbSnS₂, TlGaS₃, C₃N₄, Cu₂Te, GeSeTe, MnTe, As₂Se₃, CrPS₃, SnSe, WReS₂, TiBr, BaTiS₃, Al₂O₃, BiFeO₃, Ag₃AsS₃, HgS, висмут стронций кальция оксида меди, черного мышьяка или черного фосфора).

При этом для изготовления диэлектрического слоя 3 может быть использован любой доступный полимер, например, поливиниловый спирт, гидроксиэтилметакрилат, полидиметилсилоксан, полилактид, полиметилметакрилат, полиметилпентен, поликарбонат, полиэфиримид и т.д.

Для упрощения изготовления экрана формируемого проекционного оптического устройства оптический элемент 2 можно производить и поставлять в виде тонкой гибкой пленки без подложки 5. Тогда для обеспечения возможности использования его снабжают адгезивным слоем 6, позволяющим впоследствии наклеить его на любую существующую прозрачную подложку (очки, лобовое стекло автомобиля, окно и т.д.). Наиболее оптимальным для такого варианта является выполнение первого слоя 3 в виде полимерной пленки толщиной с и второго слоя 4 из металла толщиной с В указанном предпочтительном варианте воплощения последовательность слоев уже играет существенную роль. Такие параметры обеспечивают выполнение вышеуказанного условия топологической темноты практически для любых известных на сегодняшний день прозрачных поверхностей (стеклянных, пластиковых и т.д.)

Для дополнительного повышения дифракционной эффективности диэлектрический слой 3 и/или поглощающий слой 4 (предпочтительно) может выполнен пространственно-модулированным по толщине: т.е., по сути, представлять собой диффракционную решетку.

Благодаря описанным особенностям предлагаемое оптическое устройство и соответствующий оптический элемент могут стать основой для формирования ультратонких устройств виртуальной, дополненной или расширенной реальности (VR/AR/XR) нового поколения. Варьируя параметры предлагаемого оптического элемента в заданных предлах можно получить, например, оптический дифференциатор (т.е. структуру, отражающую только границы элементов изображения), линзу или объектив (например, путем формирования зонной пластинки Френеля с толщинами двумерного материала выше и ниже топологической точки) и многие другие оптические элементы.

Пример 1

Оптическое устройство содержит проектор изображений на основе лазера с длиной волны установленный под углом к нормали оптического элемента в виде прозрачного экрана со структурой, обеспечивающей топологическую темноту в районе точки (655 нм, 75°) и представляющей собой равномерный полимерный слой полиметилметакрилата толщиной 100 нм и модулированный слой золота толщиной 13 нм на оптическом стекле BK7.

Структура оптического элемента получена в следующем технологическом цикле. На оптическое стекло BK7 методом электроннолучевого напыления нанесли 13-нм слой золота. Затем сверху нанесли 100-нм слой полиметилметакрилата методом центрифугирования (спинкоатинга). Данная структура выступает в качестве оптического дифференциатора, причем отношение интенсивности отражения границы элементов изображения к интенсивности самого изображения составляет порядка 100. Отметим, что оптический дифференциатор будет работать только для поляризации перпендикулярной плоскости падения света, то есть предлагаемый оптический элемент обладает поляризационной селективностью. С указанным проектором на экране оптического элемента сформируется четкое видимое изображение границ элементов изображения, сформированного проектором.

Пример 2

Оптическое устройство содержит проектор изображений на основе RGB матрицы светодиодов, установленный под углом к нормали оптического элемента в виде прозрачного экрана со структурой, описанной в примере 1.

Данная структура выступает в качестве оптического дифференциатора, то есть от структуры отразятся границы изображения с центральной длиной волны 655 нм и полушириной 10 нм (т.е. структура будет также выступать в качестве светофильтра для этого диапазона длин волн 650-660 нм), причем отношение интенсивности отражения границы элементов изображения к интенсивности самого изображения на этих длинах волн составляет порядка 100. То есть с указанным проектором на экране сформируется четкое видимое изображение границ элементов изображения, сформированного проектором.

Пример 3

Оптическое устройство содержит проектор изображений на основе лазера с длиной волны 655 нм, поляризованного перпендикулярно плоскости падения света установленный под углом к нормали оптического элемента в виде прозрачного экрана, со структурой, описанной в примере 1.

Данная структура выступает в качестве оптического дифференциатора, то есть от структуры отразятся границы изображения, причем отношение интенсивности отражения границы элементов изображения к интенсивности самого изображения на этих длин волн составляет порядка 100. То есть указанным проекторром на экране сформируется четкое видимое изображение границ элементов изображения, сформированного проектором причем в отличие от примеров 1 и 2 в этом изображении не будет дополнительных длин волн и поляризаций.

Пример 4

Оптическое устройство содержит проектор изображений на основе лазера с длиной волны (для наилучшей видимости излучение должно быть поляризовано перпендикулярно плоскости падения света), установленный под углом к нормали оптического элемента в виде прозрачного экрана со структурой, обеспечивающей топологическую темноту в районе точки (655 нм, 75°) и представляющей собой равномерный полимерный слой полиметилметакрилата толщиной 100 нм и модулированный слой золота толщиной 13 нм на оптическом стекле BK7.

Структура оптического элемента получена в следующем технологическом цикле. На оптическое стекло BK7 методом электроннолучевого напыления нанесли 13-нм слой золота. Из слоя золота методом электронной литографии сформирована дифракционная решетка с периодом 648 нм. Затем сверху нанесли 100-нм слой полиметилметакрилата методом центрифугирования (спинкоатинга).

Дифракционная эффективность полученной структуры выше, чем 4,5%, а прозрачность выше, чем 70%. При этом с указанным проектором на экране формируется четкое видимое изображение с интенсивностью порядка 4,5% интенсивности излучения проектора (интенсивность в нужный канал дифракции определяется дифракционной эффективностью).

Пример 5

Оптическое устройство содержит проектор изображений на основе лазера с длиной волны (для наилучшей видимости излучение должно быть поляризовано перпендикулярно плоскости падения света), установленный под углом к нормали оптического элемента в виде прозрачного экрана со структурой, обеспечивающей топологическую темноту в районе точки (655 нм, 75°) и представляющей собой модулированный полимерный слой полиметилметакрилата толщиной 100 нм и равномерный слой золота толщиной 13 нм на оптическом стекле BK7.

Структура оптического элемента получена в следующем технологическом цикле. На оптическое стекло BK7 методом электроннолучевого напыления нанесли 13-нм слой золота. Затем сверху нанесли 100-нм слой полиметилметакрилата методом центрифугирования (спинкоатинга). Из слоя полиметилметакрилата методом электронной литографии сформирована дифракционная решетка с периодом 648 нм.

Дифракционная эффективность полученной структуры выше, чем 4,3%, а прозрачность выше, чем 70%. При этом с указанным проектором на экране формируется четкое видимое изображение с интенсивностью порядка 4,3% интенсивности излучения проектора.

Пример 6

Оптическое устройство содержит проектор изображений на основе RGB матрицы светодиодов, установленный под углом к нормали оптического элемента в виде прозрачного экрана со структурой, обеспечивающей топологическую темноту в районе точки (547 нм, 74°) и представляющей собой равномерный полимерный слой полиметилметакрилата толщиной 92 нм и равномерный слой алюминия толщиной 4 нм на оптическом стекле BK7.

Структура оптического элемента получена в следующем технологическом цикле. На оптическое стекло BK7 методом электроннолучевого напыления нанесли 4-нм слой алюминия. Затем сверху нанесли 92-нм слой полиметилметакрилата методом центрифугирования (спинкоатинга).

Данная структура выступает в качестве оптического дифференциатора, то есть от структуры отразятся границы изображения с центральной длиной волны 547 нм и полушириной 10 нм (т.е. структура будет также выступать в качестве светофильтра для этого диапазона длин волн 542-552 нм), причем отношение интенсивности отражения границы элементов изображения к интенсивности самого изображения на этих длинах волн составляет порядка 100. То есть с указанным проектором на экране сформируется четкое видимое изображение границ элементов изображения, сформированного проектором.

Пример 7

То же, что и пример 6, но с проектором на основе лазера с центральной длиной волны поляризованного перпендикулярно плоскости падения света.

Данная структура выступает в качестве оптического дифференциатора, то есть от структуры отразятся границы изображения, причем отношение интенсивности отражения границы элементов изображения к интенсивности самого изображения на этих длин волн составляет порядка 100. То есть указанным проектором на экране сформируется четкое видимое изображение границ элементов изображения, сформированного проектором причем в отличие от примера 6 в этом изображении не будет дополнительных длин волн и поляризаций.

Пример 8

То же, что и пример 7, но из слоя алюминия методом электронной литографии сформирована дифракционная решетка с периодом 1274 нм.

Дифракционная эффективность полученной структуры выше, чем 3,8%, а прозрачность выше, чем 70%. При этом с указанным проектором на экране формируется четкое видимое изображение, сформированное проектором, с интенсивностью порядка 3,8% интенсивности излучения проектора.

Пример 9

Оптическое устройство содержит проектор изображений на основе RGB матрицы светодиодов, установленный под углом к нормали оптического элемента в виде прозрачного экрана со структурой, обеспечивающей топологическую темноту в районе точки (615 нм, 76°) и представляющей собой равномерный полимерный слой полиметилметакрилата толщиной 95 нм, равномерного слоя золота толщиной 15 нм и равномерного полимерного слоя полидиметилсилоксана толщиной 30 нм на оптическом стекле BK7.

Структура оптического элемента получена в следующем технологическом цикле. На оптическое стекло методом центрифугирования (спинкоатинга) нанесли 30-нм слой полидиметилсилоксана, затем на этот слой нанесли 15-нм слой золота методом электронно-лучевого напыления, после этого нанесли 100-нм слой полидиметилметакриалата методом центрифугирования (спинкоатинга).

Данная структура выступает в качестве оптического дифференциатора, то есть от структуры отразятся границы изображения с центральной длиной волны 615 нм и полушириной 10 нм (т.е. структура будет также выступать в качестве светофильтра для этого диапазона длин волн 610-620 нм), причем отношение интенсивности отражения границы элементов изображения к интенсивности самого изображения на этих длинах волн составляет порядка 100. То есть с указанным проектором на экране сформируется четкое видимое изображение границ элементов изображения, сформированного проектором.

Пример 10

Оптическое устройство содержит проектор изображений на основе RGB матрицы светодиодов, установленный под углом к нормали оптического элемента в виде прозрачного экрана со структурой, обеспечивающей топологическую темноту в районе точек (420 нм, 51°), (459 нм, 42°), (525 нм, 56°) и представляющей собой равномерный полимерный слой полиметилметакрилата толщиной 67 нм, равномерного слоя золота толщиной 14 нм и равномерного полимерного слоя полидиметилсилоксана толщиной 50 нм на оптическом стекле BK7.

Структура оптического элемента получена в следующем технологическом цикле. На оптическое стекло методом центрифугирования (спинкоатинга) нанесли 50-нм слой полидиметилсилоксана, затем на этот слой нанесли 14-нм слой золота методом электронно-лучевого напыления, после этого нанесли 67-нм слой полидиметилметакриалата методом центрифугирования (спинкоатинга).

Данная структура выступает в качестве оптического дифференциатора, то есть от структуры отразятся границы изображения с центральной длиной волны 420 нм и полушириной 10 нм (т.е. структура будет также выступать в качестве светофильтра для этого диапазона длин волн 415-425 нм), причем отношение интенсивности отражения границы элементов изображения к интенсивности самого изображения на этих длинах волн составляет порядка 100. То есть с указанным проектором на экране сформируется четкое видимое изображение границ элементов изображения, сформированного проектором. Отличие этого примера от остальных заключается в увеличении диапазона рабочих длин волн и углов проектора благодаря трем топологическим точкам.

Пример 11

Оптическое устройство содержит проектор изображений на основе RGB матрицы светодиодов, установленный под углом к нормали оптического элемента в виде прозрачного экрана со структурой, обеспечивающей топологическую темноту в районе точки (450 нм, 59°) и представляющей собой равномерный слой золота толщиной 3 нм и полимерный слоя полиметилметакрилата толщиной 300 нм на сапфире.

Структура оптического элемента получена в следующем технологическом цикле. На сапфировую подложку нанесли 300-нм слой полиметилметакриалата методом центрифугирования (спинкоатинга). Затем на этот слой методом электронно-лучевого напыления нанесли 3 нм слой золота.

Данная структура выступает в качестве оптического дифференциатора, то есть от структуры отразятся границы изображения с центральной длиной волны 450 нм и полушириной 10 нм (т.е. структура будет также выступать в качестве светофильтра для этого диапазона длин волн 445-455 нм), причем отношение интенсивности отражения границы элементов изображения к интенсивности самого изображения на этих длинах волн составляет порядка 100. То есть с указанным проектором на экране сформируется четкое видимое изображение границ элементов изображения, сформированного проектором.

Пример 12

Оптическое устройство содержит проектор изображений на основе RGB матрицы светодиодов, установленный под углом к нормали оптического элемента в виде гидрогелевой контактной линзы со структурой, обеспечивающей топологическую темноту в районе точки (650 нм, 70°) и выполненной за счет формирования на наружной поверхности линзы дифракцционной решетки с периодом 640 нм из полимерного слоя полиметилметакрилата толщиной 95 нм и равномерного слоя золота толщиной 15 нм.

Дифракционная эффективность полученной структуры выше, чем 4,7%, а прозрачность выше, чем 70% (для длин волн 645-655 нм). При этом с указанным проектором на экране формируется четкое видимое изображение, сформированное проектором, с интенсивностью порядка 4,7% интенсивности излучения проектора.

Пример 13

Оптический элемент выполнен в виде полимерной пленки полиметилметакрилата с диэлектрической проницаемостью 2.25 и толщиной 80 нм, на которую методом электронно-лучевого напыления нанесена пленка золота толщиной 18 нм с диэлектрической проницаемостью 2.25. Адгезивный слой в виде графена нанесли со стороны золота методом жидкого переноса. Дифракционная эффективность полученной структуры выше, чем 2%, а прозрачность выше, чем 80%.

Такой оптический элемент может быть установлен на любую твердую поверхность и выступать в качестве оптического дифференциатора (в зависимости от нанесенной поверхность будет немного отличаться рабочий диапазон длин волн и углов), причем отношение интенсивности отражения границы изображения к изображению составляет порядка 100. То есть с указанным проектором на экране сформируется четкое видимое изображение границ элементов изображения, сформированного проектором.

Пример 14

Оптический элемент выполнен в виде полимерной пленки полиметилметакрилата с диэлектрической проницаемостью 2.25 и толщиной 80 нм, на которую методом электронно-лучевого напыления нанесли пленку золота толщиной 18 нм с диэлектрической проницаемостью 2.25. Затем из пленки методом электронной литографии сформирована дифракционная решетка с периодом 648 нм. Адгезивный слой в виде графена нанесли со стороны золота методом жидкого переноса. Дифракционная эффективность полученной структуры выше, чем 3,8%, а прозрачность выше, чем 70%. Такой оптический элемент может быть установлен на любую твердую поверхность и заворачивает на 65° угол излучение длиной волны 630 нм от источника, расположенного под углом 65° (в случае нанесения структуры на оптическое стекло BK7, на других поверхностях значения рабочих длин волн и углов будет отличаться, но незначительно, в пределах ±20 нм и ±10°).

Изобретение относится к области нанофотоники, и касается оптического устройства. Оптическое устройство, содержит источник оптического излучения с длиной волны в его спектре, выполненный в виде проектора изображений, и планарный в плоскости (х,у) оптический элемент, нормаль которого составляет угол с оптической осью указанного источника оптического излучения. Оптический элемент содержит, по меньший мере, первый слой оптически прозрачного диэлектрика толщиной и диэлектрической проницаемостью второй слой поглощающего двумерного материала толщиной и диэлектрической проницаемостью и оптически прозрачную подложку диэлектрической проницаемостью . Указанные слои и подложка выполнены с образованием точки топологической темноты. Технический результата заключается в обеспечении возможности создания плоской оптики для ультратонких структур с высоким качеством получаемых изображений. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил. 14 пр.

1. Оптическое устройство, содержащее источник оптического излучения с длиной волны в его спектре, выполненный в виде проектора изображений, и планарный в плоскости (х,у) оптический элемент, нормаль которого составляет угол с оптической осью указанного источника оптического излучения, причем оптический элемент содержит, по меньший мере, первый слой оптически прозрачного диэлектрика толщиной и диэлектрической проницаемостью второй слой поглощающего двумерного материала толщиной и диэлектрической проницаемостью и оптически прозрачную подложку диэлектрической проницаемостью причем указанные слои и подложка выполнены с образованием точки топологической темноты для которой абсолютное значение интеграла фазы комплексной амплитуды рассеяния падающего излучения на указанный оптический элемент под углом с длиной волны по замкнутому контуру L:

где L - эллипс с центром в точке и полуосями и

ds - дифференциал в пространстве

а и для указанного источника излучения лежит внутри указанного контура L.

2. Оптическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый и/или второй слой выполнен пространственно-модулированным по толщине:

3. Оптическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что второй слой выполнен толщиной не более 30 нм.

4. Оптическое устройство по п. 3, отличающееся тем, что второй слой выполнен из золота, меди, серебра или алюминия.

5. Оптическое устройство по п. 3, отличающееся тем, что второй слой выполнен из ZnO, TiO₂, ZnS, MgO, BeO, PbF₂, CsI, HfO₂, Sc₂O₃, SiN, GaP, CsPbBr₃, CsPbCl₃, CsPbI₃, GaN, YVO₄, MgAlO, YAlO, LuAlO, AlSb, GaSb, InSb, AlAs, GaAs, InAs, ВС, SiC, TiC, VC, CsCl, CuCl, BaF, CeF₃, LaF₃, LiF, SrF₂, LiI, KI, Rbl, CaMoO₄, SrMoO₄, PbMoO₄, LiNbO₃, KNbO₃, VN, ZrO₂, GeO₂, TeO₂, WO₃, Fe₂O₃, Y₂O₃, Lu₂O₃, Nb₂O₅, Ta₂O₅, Fe₃O₄, InP, CdSe, PbSe, ZnSe, AgGaS₂, CdGa₂S₄, CdS, CuGaS₂, CdTe, Те, ZnTe, BaTiO₃, Bi₄Ti₃O₁₂, PbTiO₃, SrTiO₃, алмаза, графита, графена, оксида графена, MoS₂, WS₂, MoSe₂, WSe₂, Cd₃As₂, Cd₃Sb₂, Cr₂AlC, Cr₂C, Mn₂AlC, Mo₂C, Mo₂Ga₂C, Mo₃AlC₂, Nb₂AlC, Nb₂C, Nb₄AlC₃, Nb₄C₃, Ta₂C, Ta₄AlC₃, Ti₂AlC, Ti₂AlN, Ti₂C, Ti₂N, Ti₃AlC₂, Ti₃C₂, Ti₃CN, Ti₃SiC₂, Ti₄N₃, V₂AlC, V₂C, V₄AlC₃, V₄C₃, SnS₂, SnSe₂, ReS₂, ReSe₂, hBN, GaSe, Sb₂Te₃, PdS₂, PdSe₂, PtS₂, PtSe₂, GaS, GaTe, Ca(OH)₂, K(FeMg)₃Si₃AlO₁₀(OH)₂, Mg(OH)₂, MnO₂, MoO₃, Sb₂O₃, Sb₂OS₂, Sb₂Se₃, Sb₂S₃, As₂S₃, As₂Te₃, Bi₂O₂Se, Bi₂Se₃, Bi₂TeO₂, BiSbTe₃, Bi₂S₃, Bi₂Te₃, AsP, CdI₂, CdPS₃, CuS, CoPS₃, Cr₂Ge₂Te₆, Cr₂S₃, CrBr₃, CrCl₃, CrGeTe₃, CrPS₄, CrSeBr, CuCrP₂S₆, CuIn₇Se₁₁, FeCl₂, FePS₃, FePSe₃, MoTe₂, GaGeTe, GaInS₃, GaSeTe, GaSSe, GaPS₄, GaSTe, GeAs, GeSe, GeS, GeS₂, GeTe, HfSe₂, HfS₂, HfTe₂, In₂S₃, In₂Se₃, InSe, InTe, InGaSe₂, InSeBr, InSnSe, MnPS₃, MnPSe₃, MoSSe, MoWSe₂, MoWS₂, MoWTe₂, MoNbSe₂, MoO_2.5Cl_0.5, MoReS₂, MoTaSe₂, MoVSe₂, Na₂Co₂TeO₆, Nb₂SiTe₄, NbReS₂, NbReSe₂, NbS₃, Ni₂SiTe₄, Ni₃TeO₆, NiCl₂, NiI₂, NiPS₃, PbI₂, PbTe, PtTe₂, ReMoS₂, ReNbS₂, ReNbSe₂, ReSSe, SbAsS₃, SbSe, SbSI, SiP, SnPSe₃, SnS, Ta₂NiS₅, TaS₂, TaS₃, TaSe₂, TaWSe₂, TISe, TiBr₃, SnTe₂, TiS₃, TlGaS₂, TlGaSe₂, TlGaTe₂, TlInS₂, WTe₂, WSSe, WNbSe₂, WReSe₂, ZrS₂, ZnIn₂S₄, ZnPS₃, ZnPSe₃, ZrGeTe₄, ZrS₃, ZrSe₂, ZrSe₃, ZrTe₂, ZrTe₃, Cr₂Si₂Te₆, Cr₂Te₃, CrI₃, CrSBr, CrTe₂, Fe₃GeTe₂, Fe₄GeTe₂, TaCo₂Te₂, VS₂, VSe₂, VTe₂, BiSbTeSe, BiTe, CuFeTe, HfTe₅, FeSe, FeTeSe, FeTe, NbS₂, NbSe₂, NbTe₂, NbTe₄, NiTe₂, PdBi₂, PdTe₂, SnTaS₂, TaTe₂, TiTe₂, Tl₂Ba₂CaCu₂O₈, ZrSiS, CdAs₂, CuSi₂P₃, NbAs₂, PbTaSe₂, Ta₂NiSe₅, Ta₂NiTe₅, Ta₂Se₈I, TaNi₂Te₃, TiS₂, TiSe₂, WNbTe₂, ZnAs₂, ZrTe₅, LaTe₂, NbSe₃, Bi₂SeTe₂, Bi₂Te₂S, BiInTe₃, Bi₂Se_1.5Te_1.5, Bi₄Te_1.5S_1.5, GeBi₂Te₄, PbBi₂Te₄, SnBi₄Te₇, SnSb₂Te₄, NiTe, SbTe, SiTe₂, BiTeI, InSSe, PbSnS₂, TlGaS₃, C₃N₄, Cu₂Te, GeSeTe, MnTe, As₂Se₃, CrPS₃, SnSe, WReS₂, TiBr, BaTiS₃, Al₂O₃, BiFeO₃, Ag₃AsS₃, HgS, висмут стронций кальция оксида меди, черного мышьяка или черного фосфора.

6. Оптическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник оптического излучения выполнен линейно поляризованным и монохроматическим с центральной длиной волны

7. Оптическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что фаза ϕ является фазой комплексной амплитуды рассеяния излучения в канале отражения, при этом оптический элемент выполнен в соответствии с условием:

для s- или p-поляризации,

где - коэффициент отражения оптического элемента,

для s-поляризации,

для p-поляризации,

i, j - порядковый номер слоя,

- диэлектрическая проницаемость i-го слоя,

- толщина i-го слоя,

- диэлектрическая проницаемость среды, из которой падает излучение.

8. Оптическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что фаза<р является фазой комплексной амплитуды рассеяния излучения в канале пропускания, при этом оптический элемент выполнен в соответствии с условием:

для s- или p-поляризации,

где - коэффициент пропускания оптического элемента

для s-поляризации,

для p-поляризации,

i, j - порядковый номер слоя,

- диэлектрическая проницаемость i-го слоя,

- толщина i-го слоя,

- диэлектрическая проницаемость среды, из которой падает излучение.

9. Оптический элемент, содержащий последовательно расположенные первый слой оптически прозрачного диэлектрика толщиной и диэлектрической проницаемостью и второй слой поглощающего материала толщиной и диэлектрической проницаемостью отличающийся тем, что снабжен адгезивным слоем, нанесенным на свободную поверхность первого или второго слоя, причем указанные слои выполнены с образованием точки топологической темноты посредством того, что первый слой выполнен в виде полимерной пленки толщиной с а второй слой выполнен из металла толщиной с

10. Оптический элемент по п. 9, отличающийся тем, что второй слой выполнен из золота, меди, серебра или алюминия.

11. Оптический элемент по п. 9, отличающийся тем, что второй слой выполнен пространственно-модулированным по толщине.

12. Оптический элемент по п. 11, отличающийся тем, что второй слой выполнен в виде дифракционной решетки.