پژوهش‌گران ژاپنی روش جدیدی را برای کنترل نور با استفاده از کریستال‌های مایع ابداع کردند. آن‌ها معتقدند روش آن‌ها بسیاری از مزایای «فراسطح» مصنوعی را داراست، و در عین حال ساختن آن در ابعاد صنعتی بسیار ساده‌تر است. این پژوهش‌گران بر این باورند در میان کاربردهای این روش، تولید شیشه «هوشمند» می‌تواند از سایرین مفیدتر باشد.

عدسی ساخته‌شده توسط پژوهش‌گران دانشگاه اوزاکا

عدسی‌های شکست عادی کاربردهای فراوانی دارند، اما چندین مشکل نیز دارند. چشم‌گیرترین مشکل آن، این است که فاز موج باید در هر دو سطح پیوسته باشد و هم‌چنان که موج در طول عدسی منتشر می‌شود، فاز به طور پیوسته روی‌هم انباشته می‌شود. این بدان معناست که برای ایجاد انحراف میکروسکوپیک در نور، ضخامت ماکروسکوپیک عدسی مورد نیاز است که اغلب موجب می‌شود عدسی‌ها به طور نامطلوبی سنگین یا حجیم شوند. آن‌ها نسبت به قطبش نیز حساس نیستند – که گاهی مزیت محسوب می‌شود اما مواردی را که قابل شناسایی است، محدود می‌کند.

مشکلات تشدید

پژوهش‌گرانی از دانشگاه هاروارد، در سال 2011، نوع دیگری از عدسی‌ها را معرفی کردند که فراسطح نامیده می‌شود که برای تداخل مستقیم با میدان الکترومغناطیسی موج از تشدیدگرهای دی‌الکتریک یا فلزی بهره می‌برند. این امر فاز را در نقطه‌ای واحد در فضا به صورت ناپیوسته تغییر می‌دهد، که برای عدسی‌های تخت میسر است. متاسفانه تشدیدگرها باید کوچک‌تر از طول موج تابش باشند. این موضوع در تابش فروسرخ نسبتاً ساده است، اما کار برای طول موج‌های کوتاه‌تر مانند نور مرئی به طور فزاینده‌ای دشوارتر می‌شود، که تشدیدگرهای ابعاد نانومتری مورد نیاز است، بنابراین چشم‌انداز تولید انبوه آن را با محدودیت روبه‌رو می‌کند.

Hiroyuki Yoshida، Masanori Ozakiو Junji Kobashi از دانشگاه اوزاکا ژاپن رویکرد متفاوتی را اتخاذ کرده‌اند. آن‌ها دو سطح با لایه‌ای از کریستال مایع کلستریک – کریستال مایعی با ساختار مارپیچی دستیده ( کایرال )– در بین آن‌ها استفاده کردند. مولکول‌های میله‌ای شکل می‌توانند خود را در ساختارهای مارپیچی شکل دهند که با امواج نوری برهم‌کنش می‌دهند و نور را با همان قطبش مارپیچ بازمی‌تابانند و در همین حال نور را با قطبش مخالف و بدون هیچ اختلالی انتقال می‌دهند. پژوهش‌گران دریافتند که با کنترل فاز مارپیچ‌ها در هر نقطه در نزدیکی سطح عدسی، می‌توانند فاز به جای مانده بر نور بازتابیده‌شده را کنترل کنند (و به این وسیله جبهه موج بازتابیده‌شده را شکل دهند).

شکل‌گیری خودبه‌خودی مارپیچی

این امر نیازمند کنترل جهت‌گیری تمام کریستال‌های مایع بر سطح است و بقیه ساختارهای مارپیچ از همان جهت‌گیری ابتدایی خود را سوار و نصب می‌کنند، تقریباً شبیه راه‌پله مارپیچ که خودش را از پله پایینی می‌سازد. پژوهش‌گران این نتیجه را با استفاده از فرایندی به نام هم‌ترازی-تصویر به دست آوردند که تنها نیازمند پروژکتور LCD معمولی و صفحه موج قابل چرخش است. Yoshida می‌گوید «نیازی نیست که ساختارهای بسیار کوچک بسازید»، «بنابراین نیازی به تکنیک‌های نانوساخت نداریم».

پژوهش‌گران دو ابزار اپتیکی با کریستال‌های مایع ساختند: خم‌کننده برای متمرکز کردن نور بازتابیده‌ و نوع خاصی از عدسی‌ها که عدسی فرسنل نامیده می‌شود که برای نور در تماشاخانه‌ها و در برخی لنزهای دوربین استفاده می‌شود. هر دو ابزار تقریباً به گزینش‌پذیری قطبش دایره‌ای مجموع رسیده‌اند. Yoshida معتقد است این‌ کارایی می‌تواند برای شیشه‌های هوشمند مفید باشد، زیرا قادر است تمام نورهای ساطع‌شده از پروژکتور را فعال کند تا به چشم مسلح به آن عدسی بازتاب کند، درحالی که طرح‌های کنونی نیمی از نورهای عبوری از عدسی را انتقال می‌دهند.

یکی از مزایای عدسی‌های فراسطح آن است که طرح‌ها ثابت‌شده نیستند، اما می‌توانند نسبت به حرارت یا میدان الکتریکی حساس باشند، که به طور بالقوه این شرایط را فراهم می‌کند که اثرات اپتیکی با فشار دکمه‌ای خاموش و روشن شود. در حال حاضر پژوهش‌گران فقط می‌توانند نور بازتابیده‌شده را حدود 5/0 درجه منحرف کنند اما هم‌چنان در حال کار برای بهینه‌سازی مواردی از جمله کوچک کردن طرح‌های کریستال‌های مایع کلستریک هستند. Yoshida به physicsworld.com می‌گوید «آن‌ها تایید کرده‌اند که ما می‌توانیم آن را تا 7 درجه یا بیشتر بالا ببریم، اما فن‌آوری لازم برای کوچک کردن طرح‌ها هم‌چنان در حال تحقیق است».

مسیری به سوی ابزارهایی برای جهان واقعی

Hiroshi Yokoyama دانشمندی در زمینه علوم سطح از دانشگاه ایالتKent در Ohio این پژوهش را «بسیار مهم» می‌داند. او می‌گوید «همه چیز در این پژوهش جدید نیست، اما به طور خاص به جنبه‌های جدیدی می‌پردازد، کاربردهایی که به نظر می‌رسد بسیار به روز باشد و تمایلات بسیار شدیدی برای توسعه عدسی‌های لایه نازک و مولفه‌های اپتیکی وجود دارد». Shin-Tson Wu از دانشگاه مرکزی Florida موافق این قضیه است و می‌گوید این پژوهش «مشکل دوام زیاد را برای فهمیدن مساله انحراف نور با کریستال‌های مایع کلستریک» حل می‌کند.

در هرحال، هم Yokoyama و هم Wu خاطرنشان کردند که نتایج با استفاده از لیزر تک‌فام اندازه‌گیری شده است و می‌گویند که ممکن است عدسی در رویارویی با نور با پهنای وسیع با مشکلاتی روبرو شود. Yokoyama می‌گوید: «عدسی تک‌شیشه دارای انحراف رنگ است (طول موج‌های متفاوت را در فواصل مختلف متمرکز می‌کند)؛ این موضوع نیز صحت دارد یا حتی در مورد عدسی کریستال مایع دارای هم‌ترازی طرح مهم‌تر نیز هست». «که باید برای تبدیل کردن این پژوهش به ابزاری کاری و واقعی حل شود».

این پژوهش در نشریه Nature Photonics به چاپ رسیده است.

نویسنده: Tim Wogan علمی‌نویس بریتانیایی است.

منبع: Patterned liquid crystals guide light through planar lens

مرجع: Planar optics with patterned chiral liquid crystals