Аннотация результатов, полученных в 2021 году
- Выполнена оптимизация двусторонних суперпериодических жидкокристаллических (ЖК) метаповерхностей для аномального преломления света в широком оптическом диапазоне в рамках численных моделей COMSOL Multiphysics. Предложены суперпериодические наборы полос для обеих подложек, теоретически способные преломлять до 70% света в широком оптическом диапазоне. Сфокусированным ионным пучком (ФИП) двулучевого электронного микроскопа на ориентирующих слоях натертого полиимида записаны наборы оптимизированных суперпериодических полос. Собранные и заполненные нематическим ЖК E7 ячейки продемонстрировали устойчивое формирование двусторонних ЖК метаповерхностей. Оптические исследования эффективностей дифракции видимого света показали, что созданные метаповерхности действительно преломляют более 60% энергии падающего света в +1-й порядок в диапазоне длин волн 500-700 нм и более 40% энергии синего света в +2-й порядок дифракции. Измеренные спектры дифракционных эффективностей оказались в хорошем количественном согласии с результатами численного моделирования. Сделан вывод о возможности нацеленного дизайна и численной оптимизации двусторонних ЖК метаповерхностей для управления распространением света широкого видимого диапазона. - Проведено численное моделирование и оптимизация в пакете программ COMSOL Multiphysics ЖК аналогов одномерных решеток Дамманна, распределяющих свет равномерно по многим порядкам дифракции. Предсказана способность ЖК метаповерхностей равномерно разделять световую энергию по 11 порядкам дифракции. Предложены структуры ориентирующих полос с периодами 10, 12 и 15 мкм, значения эффективностей дифракции первых 11 порядков в диапазоне от 5% до 10% со среднеквадратичным разбросом, не превышающим 1%, в окрестности длины волны 450 нм. Соответствующие массивы полос записаны ФИП на слоях натертого полиимида и собраны ЖК ячейки. Визуально в оптическом микроскопе проконтролировано формирование ЖК метаповерхностей и подтверждено появление выраженной дифракции. Проведены спектрометрические измерения в задней фокальной плоскости и построены карты распределения интенсивности прошедшего света. Выполнена обработка карт интенсивности и найдены спектры всех заметных порядков дифракции. Подтверждены предсказания моделирования о возможности равномерного распределения синего света по 5-7 порядкам дифракции метаповерхностями периода 7 мкм и по 9-11 порядкам метаповерхностями периодов 12-15 мкм. Измерена динамика электрооптического отклика и найдено, что скорости переключения разных порядков дифракции совпадают, а характерные времена переключения слабо зависят от периода и находятся в диапазоне 5-10 мс. - Исследована возможность использования фотоориентированных слоев азокрасителей в качестве замены натертому полиимиду. Приготовлены слои фотоориентантов– протравочного чисто-желтого (ПЧЖ) и бриллиантового желтого (БЖ), и выполнена их однородная фотоориентация. С помощью ФИП различные структуры полос, периодических, суперпериодических, оптимизированных для асимметричной дифракции и равномерного распределения света по многим порядкам дифракции. Подтверждено формирование ЖК метаповерхностей и исследованы их оптические свойства как прямым наблюдением в поляризационном микроскопе, так и измерением относительной фазовой задержки света, и наблюдением картин дифракции в задней фокальной плоскости. Найдены оптимальные режимы приготовления подложек и сделан вывод о перспективности фотоориентированных слоев азокрасителя БЖ. Проведено сравнение оптических свойств и электрооптического переключения метаповерхностей идентичного дизайна, созданных на слоях натертого полиимида и БЖ. Сделан вывод о БЖ, как о приоритетном материале с точки зрения динамики электрооптического переключения метаповерхностей, качества ориентирующих слоев и доступности материала. - Построены численные модели, описывающие формирование модуляций ориентации ЖК в толстых слоях на подложках с ориентирующими полосами, и найдены наборы полос, вертикально и планарно ориентирующих ЖК, необходимые для формирования широкоугольных цилиндрических линз. Показана теоретическая возможность создания линз с апертурой 15 мкм, фокусирующих свет внутри относительно толстого слоя ЖК на расстоянии 23 мкм от ориентирующей подложки. Предсказано высокое оптическое разрешение микролинз на уровне дифракционного предела. Изготовлены соответствующие ориентирующие слои, и собраны ЖК ячейки с массивами линз с одинаковой апертурой 15 мкм, и параллельным расположением с периодами 15, 25 и 35 мкм в виде квадратов со стороной 350 мкм. Найдено, что заполнение ячеек ЖК смесью E7 сопровождается формированием линз, фокусирующих свет в плоскости, отстоящей на 35+-5 мкм от ориентирующей подложки. Получены распределения интенсивности в фокальной плоскости линз, продемонстрирован высокий оптический контраст и разрешение, близкое к дифракционно-ограниченному. Выполнены измерения фокусного расстояния линз при различных амплитудах напряжения, подаваемого на плоские электроды ЖК ячейки. Найдено заметное сокращение расстояния от 35 мкм до 12 мкм, сопровождающееся уменьшением апертуры линз. - Выполнено аналитическое и численное моделирование твердотельных диэлектрических слоев со сложным нанорельефом и рассчитаны профили поверхности, оптимальные для существенного расширения угловой амплитуды переключения аномального преломления света. Найдены параметры метаповерхностей, способных изменять направление распространения преломленного света на углы, превышающие 150 градусов, за счёт небольших изменений оптической системы. Показано, что при отклонении угла падения лишь на 2 градуса от нормали оптимизированная кремниевая метаповерхность способна отклонять преломленный свет на 156 градусов с эффективностью не менее 67%. Также продемонстрировано, как эффективное (88% и 78% в соответствующих режимах) преломление света и его разворот на 154 градуса достижимы за счет уменьшения диэлектрической проницаемости подложки с 2.3 до 2.2. Показано, что аномальное преломление на скользящие углы может быть обеспечено метаповерхностям на основе слоев прозрачных материалов с диэлектрической проницаемостью, превышающей 4.3. Продемонстрированы типовые профили метаповерхностей для материалов с относительно малым показателем преломления (ниобат лития или титанат бария).

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
- Проведены моделирование и оптимизация конструкции двусторонних суперпериодических метаповерхностей для дискретного трехступенчатого переключения аномального преломления. Изготовлены ориентирующие подложки, собраны ЖК ячейки и проведено оптическое тестирование самоорганизации ЖК метаповерхностей. По результатам сканирующей спектрометрии изображений метаповерхностей в задней фокальной плоскости оптического микроскопа определены спектры эффективностей всех значимых порядков дифракции и подтверждена 60% эффективность дифракции +1 порядка для красного света при нулевом напряжении и для синего света при промежуточном напряжении около 1.5. В; до 50% эффективность дифракции +2 порядка синего света при нулевом напряжении; полное подавление дифракции в видимом диапазоне при напряжении 5 В. Исследована динамика электрооптического переключения и показано, что переключение между тремя функциональными режимами происходит за времена 5-10 миллисекунд, за исключением восстановления интенсивности +2 порядка после полного отключения высокого напряжения 5 В. Но даже в этом исключительном случае время переключения 20 мс близко к времени переключения однородной дисплейной ячейки с таким же ЖК в той же геометрии. Предложено применение метаповерхностей в качестве мультиплексированных элементов, отклоняющих лучи света. - Проведено численное моделирование и оптимизация ЖК аналогов двумерных решеток Дамманна, распределяющих свет равномерно по многим направлениям на плоскости. Для этого разработан подход к численному моделированию и оптимизации дифракционных свойств 2D-периодических ЖК метаповерхностей, позволяющий избежать затратного решения уравнений Максвелла в большом объеме ЖК с модулированной ориентацией. Проведена оптимизация и найдены 2D-периодические узоры бинарной поверхностной ориентации директора ЖК с периодами 10, 15 и 20 мкм, позволяющие распределять прошедший свет длины волны 450 нм по 45, 61 и 95 порядкам дифракции, соответственно. Изготовлены и собраны ячейки с двумерными ориентирующими структурами, проведено оптическое тестирование формирования ЖК метаповерхностей. Выполнен анализ дифракционных картин, и экспериментально показано, что число значимых порядков дифракции достигает 45, 61 и 101 для метаповерхностей периодов 10, 15 и 20 мкм соответственно. Также обнаружена высокая чувствительность картин дифракции к напряжениям 1 В и показано быстродействие переключения с характерными временами 10 мс. - Проведено моделирование формирования и оптических свойств ЖК метаповерхностей на подложках, индуцирующих периодические модуляции и азимутального, и полярного углов директора прилегающего ЖК. Предсказано усложнение дифракционных картин в виде утроения картин аналогичных метаповерхностей, формирующихся за счет обработки ФИП однородно ориентирующих слоев. Центральная часть дифракционной картины сохраняется, частично ослабевая и теряя поляризационную селективность, а добавочные боковые дифракционные картины по структуре повторяют центральную, но обладают 100% круговым дихроизмом с обращением знака круговой поляризации света. Найдены условия оптимального совмещения добавочных и основной картин дифракции без промежуточных пропусков или наложения порядков дифракции. Выполнена численная оптимизация набора структур для формирования 2D решеток Дамманна на одном образце с фиксированной периодичностью фотоориентации. Созданы подложки, прошедшие 1D-периодическую интерференционную фотоориентацию и облучение 1D-периодическими и 2D-периодическими узорами ФИП, собраны ЖК ячейки и подтверждено формирование 1Dx1D- и 1Dx2D-периодических ЖК метаповерхностей. Измерения поляризационных и дифракционных свойств, подтвердили утроение дифракционных картин. Экспериментально исследовано гашение дифракции при приложении низковольтных электрических напряжений, а также подтверждена возможность управления картинами дифракции за свет изменений поляризации падающего света. - Выполнены оптимизация и численное моделирование ЖК линз с фокусным расстоянием, перестраиваемым под действием электрического напряжения. Определены оптимальные бинарные профили ориентации директора ЖК на одной из поверхностей ячеек толщиной 4 мкм и 10 мкм, обеспечивающие формирование неоднородных ЖК структур, эффективно фокусирующих свет в прилегающей стеклянной подложке. Предсказано плавное увеличение фокусных расстояний линз при подаче слабого электрического напряжения на сплошные электроды. Изготовлены экспериментальные образцы варифокальных линз на основе слоев ЖК толщиной 10 мкм и подтверждено плавное изменение фокусного расстояния от 28 мкм при нулевом напряжении до 38 мкм при напряжении 2.5 В. Найдена устойчивость распределения интенсивности в фокальной плоскости вплоть до напряжений 2.5 В при полуширине пика фокусировки растущем от 1 до 3 мкм. - Предложены диэлектрические слои с нанорельефом, отражающие свет с сохранением или обращением круговой поляризации в зависимости от ориентации ЖК в прилегающем слое. По результатам численной оптимизации определены параметры слоев кремния с электрической дипольной и магнитной дипольной собственными модами и возможностью сдвига магнитного дипольного момента в пространстве при переориентации прилегающего ЖК. Соответствующие изменения разностей фаз приводят к качественному изменению характера отражения волн, поляризованных по кругу: при гомеотропной ориентации ЖК метаповерхность сохраняет знак круговой поляризации при отражении, а при планарной ориентации ЖК – обращает его. В обоих случая волны, поляризованные по кругу, отражаются с эффективностью до 80%.