Аннотация результатов, полученных в 2018 году
- С помощью прецизионной обработки фокусированным ионным пучком (ФИП) полимерных слоев получены поверхности, задающие регулярную пространственную модуляцию ориентации прилегающего жидкого кристалла (ЖК). Собранные на основе таких подложек ЖК ячейки с нематическим жидким кристаллом продемонстрировали устойчивое формирование ЖК-метаповерхностей, обладающих ярко выраженной окраской, зависящей от пространственного периода модуляции. Регулярность сформировавшихся периодических структур подтверждена измерениями пропускания и дифракции света в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Обнаружены глубокие провалы в спектрах коэффициента пропускания, обусловленные сильной (более 50% по сумме двух каналов) дифракцией света вперед. Положение таких провалов существенно зависит от периода метаповерхностей. Сформулирована аналитическая модель, описывающая формирование ЖК-метаповерхностей и предсказывающая спектры пропускания и дифракции в отличном качественном согласии с экспериментальными данными. Модель объясняет оптические характеристики метаповерхности как неоднородного фазового модулятора. Для количественно точного воспроизведения спектров пропускания и дифракции созданы комплексные численные модели ЖК-метаповерхностей, учитывающие все ключевые особенности использованных материалов и объединяющие точное решение задачи теории упругости ЖК и расчеты оптических свойств методом конечных разностей (FDTD). - Обработкой ФИП алюминиевых пленок на стеклянных подложках по запрограммированным цифровым шаблонам созданы системы алюминиевых решеток в виде встречно штыревых электродов (ВШЭ) с субволновым периодом и различными типами сопряжения металлических полос. В частности, созданы ВШЭ, обеспечивающие удвоение и утроение периода модуляции оптических свойств окружающего ЖК при приложении напряжения. На основе таких ВШЭ собраны ЖК ячейки, заполненные нематическим ЖК, и показана его стабильная однородная ориентация перпендикулярно волновому вектору решеток. Исследовано влияние ориентирующих покрытий на оптические и электрооптические свойства полученных таким образом гибридных метаповерхностей. Измерены спектры пропускания света и подтверждена идентичность оптических свойств образцов с различным сопряжением электродов без приложения электрического напряжения. Электрооптические исследования показали падение коэффициента пропускания ТМ поляризованного света в синей области с 30% до 5-10% при приложении небольшого (6-8 вольт) напряжения к ВШЭ с удвоением периода. Показана дифракционная природа этого эффекта, возникающего за счет перераспределения световой энергии из 0-го в 1-й каналы дифракции, и продемонстрирована его сверхвысокая скорость: характерное время выключения составляют около одной миллисекунды, а время включения несложно понизить до 100 микросекунд и менее за счет повышения амплитуды переключающего напряжения до 8 вольт. Построены комплексные численные модели, описывающие неоднородную ориентацию ЖК вблизи наноэлектродов и его переориентацию под действием электрического поля. - Разработан новый метод создания диэлектрических метаповерхностей на основе полупроводниковых пленок с нанорельефом с использованием литографии ФИП по программируемым цифровым шаблонам. Предложено и успешно выполнено просветление изготовленных метаповерхностей путем термического окисления. Восстановлена структура метаповерхностей методом ФИП-томографии, выполнена их трехмерная реконструкция до и после термического окисления и построены трехмерные модели элементарных ячеек, необходимые для численного моделирования. Измерения оптических характеристик диэлектрических метаповерхностей продемонстрировали, что изготовленная на основе эпитаксиальной монокристаллической кремниевой пленки хиральная метаповерхность толщиной 300 нм сочетает высокий (50-80%) коэффициент пропускания с круговым дихроизмом, достигающим величины 0.5 и оптическим вращением плоскости поляризации более 10 градусов в видимом диапазоне. Для реконструированной трёхмерной модели элементарной ячейки диэлектрической метаповерхности построена комплексная численная FDTD модель, которая воспроизвела все основные характеристики хирального пропускания и показала, что в процессе термического окисления материал метаповерхности практически полностью восстанавливает свои оптические характеристики до уровня монокристаллического кремния. В рамках гипотезы Рэлея построен метод, позволяющий рассчитать с заданной точностью коэффициенты пропускания, отражения и дифракции света кремниевым слоем со сложным поверхностным рельефом. Выполнена численная оптимизация суперпериодического рельефа, и найдена форма метаповерхности, обеспечивающая дифракцию до 54% световой энергии в один канал на заданной длине волны.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
- Предложен и экспериментально продемонстрирован прецизионный способ управления наклоном директора жидкого кристалла (ЖК) на полимерных слоях путем комбинирования микроразмерных участков, обработанных сфокусированным ионным пучком, задающих вертикальную ориентацию ЖК, с нетронутыми участками, задающими его планарную ориентацию. Усредняя конкурирующие ориентационные воздействия ЖК надежно стабилизируется в промежуточных состояниях со значениями угла преднаклона директора во всем диапазоне от 0 до 90 градусов. Проведенные оптические исследования показали, что этот угол точно следует за изменениями локального коэффициента заполнения структур на полимерной поверхности. Сформулированная теоретическая модель количественно верно воспроизвела эти наблюдения. Найденная возможность создания полимерных подложек, точно поддерживающих произвольную (от планарной до вертикальной) пространственно неоднородную ориентацию ЖК открыла перспективы «печати» электрически перестраиваемых универсальных метаповерхностей, линз, призм и фазовых пластин. - Исследовано электрооптическое переключение ЖК-метаповерхностей на полосчатых структурах, созданных сфокусированным ионным пучком. Показано, что подача напряжения на ЖК слой выравнивает поле директора и подавляет дифракцию света, усиливая его прямое пропускание. Найдено, что время переключения от дифракционного к пропускающему состоянию может быть уменьшено до миллисекунды путем увеличения амплитуды управляющего напряжения до 6 В, а основная часть релаксации обратно в периодически деформированное дифракционное состояние происходит в течение 2-3 миллисекунд. Сложная динамика релаксации объяснена как следствие наложения многих экспоненциально релаксирующих мод, характерные времена которых определяются геометрическими параметрами метаповерхности, а также вязкостью и упругостью ЖК. - Произведена численная оптимизация ЖК-метаповерхностей со сложной суперпериодической структурой элементарной ячейки для повышения эффективности аномального преломления света за счет одноканальной дифракции. Исходя из найденных оптимальных параметров, созданы суперпериодические ЖК-метаповерхности, которые в полном соответствии с теоретическими предсказаниями обеспечили преломление более 60% энергии падающего света в +1-й канал дифракции. - Проведена оптимизация кремниевых оптических метаповерхностей на основе тонких периодически гофрированных слоев путем варьирования коэффициентов Фурье профиля поверхности. Продемонстрирована превосходная количественная точность полуаналитического подхода, основанного на гипотезе Рэлея, и найдены метаповерхности с аномальным преломлением нормально падающего света. В отличие от диэлектрических метаповерхностей типа Гюйгенса, слои гофрированного кремния оказались способны эффективно преломлять свет в почти скользящих направлениях: в прямом численном моделировании предлагаемые структуры отклоняют 70-80% энергии нормально падающего зеленого света под скользящими углами в диапазоне 68-85 градусов.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
- Построены точные численные модели жидкокристаллических (ЖК) метаповерхностей, самоорганизующихся на полимерных слоях со структурами периодических и суперпериодических полос, различным образом ориентирующих ЖК. Количественно точно воспроизведены ключевые оптические характеристики суперпериодических метаповерхностей для аномального преломления света. Предсказано наличие высокодобротных волноводных резонансов в слое ITO непосредственно под метаповерхностями с малым периодом. Показана возможность существенного повышения эффективности аномального преломления при переходе к двусторонней конструкции ЖК метаповерхностей. Выполнена оптимизация суперпериодических структур полос для двусторонних ЖК-метаповерхностей и предсказана достижимость эффективностей 80-90% преломления синего света и 70-80% преломления красного света. - Исследовано электрооптическое переключение ЖК метаповерхностей на полимерных слоях со сложной суперпериодической структурой полос, по-разному ориентирующих ЖК. Продемонстрировано, что подача небольших (3-6 В) напряжений на ЖК слой выравнивает поле директора и переводит метаповерхности из преломляющего в пропускающее состояние. Найдено, что время такого переключения уменьшается до миллисекунды при увеличении амплитуды управляющего напряжения до 6 В. Основная часть обратного переключения (релаксации) в деформированное преломляющее состояние происходит за характерные времена 3-5 миллисекунд. - Разработана методика позиционирования сложных структур периодических и суперпериодических ориентирующих полос на обеих подложках с микрометрической точностью. Созданы соответствующие структуры и собраны ЖК ячейки, обеспечившие формирование двусторонних ЖК-метаповерхностей. Проведена оптическая и электрооптическая диагностика, подтвердившая асимметричную дифракцию света с высокоэффективным аномальным преломлением за счет доминирующей дифракции +1-го порядка. Исследована динамка электрически индуцированного переключения двусторонних ЖК метаповерхностей между пропускающим и преломляющим режимами и найдено, что время переключения при подаче напряжения амплитудой 6-8 В составляет единицы миллисекунд. Времена экспоненциальной релаксации существенно зависят от периода метаповерхностей, изменяясь от 8-10 мс для периода 5 мкм до 10-14 мс для периода 10 мкм. Продемонстрировано, что переключение двусторонних метаповерхностей до тех же значений пропускания требует меньшего напряжения, чем односторонних. - Исследованы возможности создания аномально преломляющих свет метаповерхностей на основе тонких периодически профилированных слоев из различных прозрачных материалов и установлено, что метаповерхности из материалов с высоким показателем преломления (например, кремния) допускают быструю оптимизацию в рамках полуаналитической теории, основанной на гипотезе Рэлея. Для материалов с относительной диэлектрической проницаемостью от 7 до 14 (например, диоксид титана), требуется намного более затратная оптимизация с использованием полномасштабного численного моделирования. Для материалов же с диэлектрической проницаемостью меньшей 7.5 (например, ITO) высокоэффективная дифракция на большие углы в рамках данного подхода оказывается недостижимой. Для слоя ITO с периодическим рельефом в ЖК окружении предсказана возможность эффективного управления его диэлектрическими резонансами за счет переключения ориентации директора ЖК.