Метод синтеза нанооптических элементов для формирования 3D изображений в нулевом порядке дифракции

Сотрудники Научно-исследовательского вычислительного центра (НИВЦ) МГУ разработали метод синтеза плоских нанооптических элементов для формирования 3D изображений в окрестности нулевого пордяка дифракции. В результате плоский оптический элемент при освещении белым светом формирует 3D изображение, которое ведет себя как настоящий трехмерный объект как при наклонах, так и при повороте элемента на 360 градусов.

Разработка методов синтеза плоских оптических элементов началась с работ Д. Габора, который был удостоен Нобелевской премии за принцип голографической аналоговой записи 3D голограмм. Аналоговые голограммы формируют визуальный 3D эффект в первом порядке дифракции, который сохраняется при наклонах, но исчезает при поворотах оптического элемента.  В последствии радужные 3D голограммы нашли широкое применение для защиты от подделок.

Сложности расчета микрорельефа нанооптических элементов связаны с необходимостью решать обратные нелинейные задачи синтеза, в которых количество переменных может достигать порядка 10^12. Расчет микрорельефа состоит из двух этапов. Область оптического элемента разбивается на элементарные области размером порядка 50 микрон. На первом этапе в каждой элеметарной области рассчитывается диаграмма направленности рассеянного излучения, которая однозначно определяется заданием двухмерных кадров 3D объекта, видимых наблюдателю под разными углами. На втором этапе для каждой элементарной области по заданной диаграмме направленности производится расчет микрорельефа, глубина которого составляет порядка 250 нанометров. Эта задача сводится к решению нелинейного интегрального уравнения для каждой элементарной области. Общее количество таких задач составляет порядка 10^6.

Синтез микрорельефа нанооптических элементов представляет собой сложную задачу, поскольку требуемая точность изготовления микрорельефа составляет порядка 10 нанометров по глубине. Для этой цели используется электронно-лучевая литография. Изготовлены образцы плоских нанооптических элементов, формирующих 3D изображения в окрестности нулевого порядка дифракции. На рисунке 1 представлены фрагмент микрорельефа и 3D изображение, синтезированное нанооптическим элементом. Трехмерность изображения сохраняется как при наклонах элемента, так и при повороте на 360 градусов.

Рис. 1. Слева – фрагмент микрорельефа нанооптического элемента размером 20x20 микрон; cправа – сформированное элементом 3D изображение.  

Результаты опубликованы в журнале Nature Scientific Reports (https://www.nature.com/articles/s41598-022-12414-y ). Также этот результат был включен в число 30 лучших достижений в оптике в 2022 году по версии журнала Optics & Photonics News (“3D Zero-Order Imaging – A New Holographic Principle”. https://www.optica-opn.org/home/articles/volume_33/december_2022/extras/3d_zero-order_imaging%E2%80%94a_new_holographic_principle/).