작은 속임수 하나가 빛의 가장 오래된 규칙을 깨고 광학을 영원히 바꿔놓았다

오정렬된 메타그레이팅에서 복사 방향성을 통해 공진 반사를 조절하는 개략도. 새로운 이중층 메타그레이팅은 광대역 스펙트럼과 넓은 각도에서 입사 시 단일 각도와 단일 파장만을 선택합니다. 이는 분산 곡선을 따라 빛의 스펙트럼 특성을 정밀하게 억제하는 "지향성 지우개"를 통해 구현됩니다. 출처: Ze-Peng Zhuang, Xin Zhou 외.

파장과 전파 방향(각도)은 빛의 두 가지 기본적인 속성입니다. 특정 파장과 특정 각도를 모두 선택적으로 제어할 수 있는 능력은 여러 첨단 광학 응용 분야의 물리적 기반을 형성합니다. 그러나 주기 시스템의 고유한 분산으로 인해 공진 스펙트럼에서 각도와 파장 사이에는 고유한 고정 관계가 존재합니다. 결과적으로, 입사각을 변경하면 광학 소자의 필터링 파장이 필연적으로 이동한다는 것이 널리 받아들여져 왔습니다. 공진 스펙트럼에서 각도와 파장 사이의 이러한 관계는 광학 소자의 독립적인 제어를 어렵게 만들고 광학 응용 분야에 근본적인 한계를 부여합니다. 예를 들어 분산으로 인한 AR 도파관의 무지개 아티팩트, 광시야 이미징에서 측면 색 분산으로 인한 화질 저하, 스펙트럼 재구성 정확도를 저하시키는 광검출기의 각 크로스토크, 그리고 고효율 지향성 광원 설계의 한계 등이 있습니다.

eLight 에 게재된 새로운 논문에서 , 중산대학교의 젠-웬 동 교수와 푸단대학교의 레이 저우가 공동으로 이끄는 과학자 팀은 광학 모드의 방사 지향성이 이 근본적인 과제를 극복하는 데 핵심적인 요소임을 발견했습니다. 이론적 분석을 통해, 그들은 방사 지향성을 통해 공진 스펙트럼을 설계하기 위한 완전한 위상 다이어그램을 구축했으며, 광학 모드의 공간 반전 대칭성과 높은 지향성 방사가 각-파장 고정을 깨는 데 필수적인 물리적 조건임을 밝혔습니다.

이를 바탕으로, 그들은 이중층 메타그레이팅에 일정 정도의 측면 변위를 도입했습니다. 이 설계는 수직 거울 대칭을 깨면서 공간 반전 대칭을 유지하여 복사 방향의 정밀한 각도 제어를 가능하게 합니다. 이론적으로, 그들은 공명 반사가 수직 입사와 중심 파장 근처에서만 발생한다고 예측했습니다. 또한, 임의의 각도와 파장에서 공간-분광 선택성을 달성하기 위한 일반적인 설계를 제안했습니다.

"복사 방향성은 '마법의 지우개'처럼 작용하여 분산 곡선을 따라 빛의 스펙트럼 특징을 정밀하게 억제할 수 있습니다. 이러한 능력은 각도와 파장에 대한 독립적인 선택성을 가능하게 하여 고유 분산으로 인한 한계를 극복합니다."라고 연구진은 요약했습니다.

"이중층 메타그레이팅의 실험적 제작은 또 다른 과제인데, 초박형 스페이서 층의 평탄성과 층 사이의 정밀한 측면 정렬을 모두 달성하려면 정교한 나노 제작 기술이 필요하기 때문입니다."라고 연구진은 덧붙였다.

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 여러 단계의 에칭, 간접 두께 측정, 그리고 반복적인 증착 공정을 포함하는 새로운 제조 방식을 개발했습니다. 이를 고정밀 이중층 정렬 기술과 결합하여 고품질의 근적외선 작동 이중층 메타그레이팅을 성공적으로 제작했습니다. 이 방법은 뛰어난 스페이서 평탄도 및 두께 조정성, ~10nm 정렬 정확도, 그리고 다양한 스페이서 재료와의 호환성을 제공하여 이중층 광자 시스템 연구를 위한 유연한 실험 플랫폼을 구축합니다.

이 플랫폼을 사용하여, 그들은 단일 각도와 단일 파장에서만 높은 반사율이 발생한다는 것을 실험적으로 입증했습니다. 새로운 반사율이 복사 방향성에 기인한다는 것을 확인하기 위해, 각 분해능 광학 현미경 측정을 수행하여 샘플의 복사 방향성을 특성화했습니다. 시간 결합 모드 이론과 교차 편광 측정 기술을 결합하여 공진 모드의 단방향 복사를 정량적으로 측정했습니다.

또한, 연구팀은 밀리미터 크기의 고정밀 이중층 메타그레이팅 개발을 선도하여 0° 및 1342nm에서 공간 및 스펙트럼 주파수 선택성을 동시에 갖는 고대비 이미징을 성공적으로 달성했습니다. 이는 소형 광학 이미징 및 광 컴퓨팅 기술에 새로운 가능성을 열어줍니다.

과학자들은 "이 연구는 각도와 파장을 독립적으로 제어하는 근본적인 과제를 해결하는 혁신적인 솔루션을 제공할 뿐만 아니라 AR/VR 디스플레이, 스펙트럼 이미징, 코히어런트 열 복사, 고급 반도체 제조와 같은 기술 응용 분야에 대한 새로운 통찰력을 제공한다"고 예측했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250713031452.htm