فیلترهای نوآورانه: فناوری جدید برای نمایشگرهای بهتر

تحقیقات جدید در فناوری نوری با استفاده از کوانتوم

یک تیم از محققان دانشگاه کلن، دانشگاه هاسلت (بلژیک) و دانشگاه سنت اندروز (اسکاتلند) موفق به استفاده از اصل مکانیک کوانتومی در هم‌تنیدگی قوی نور و ماده شده‌اند تا فناوری نوری نوآورانه‌ای را توسعه دهند که مشکل دیرینه وابستگی زاویه‌ای در سیستم‌های نوری را حل می‌کند. مطالعه‌ای تحت عنوان «شکستن محدودیت پراکندگی زاویه‌ای در اپتیک فیلم نازک با هم‌تنیدگی فوق‌قوی نور و ماده» که در نشریه Nature Communications منتشر شده، فیلترهای پلاریتون فیلم نازک فوق‌پایدار را معرفی می‌کند که افق‌های جدیدی در زمینه‌های فوتونیک، فناوری حسگر، تصویربرداری نوری و فناوری نمایشگر باز می‌کند.

این تحقیق در دانشگاه کلن به رهبری پروفسور دکتر مالته گاتر، مدیر مرکز هومبولت برای نانو و بیوفوتونیک در دانشکده شیمی و بیوشیمی دانشکده ریاضیات و علوم طبیعی انجام شده است.

اهمیت فیلترهای نوری

فیلترهای نوری برای بسیاری از کاربردها ضروری هستند. با این حال، عملکرد آن‌ها به طور قابل توجهی زمانی که نور با زوایای مختلف به آن‌ها برخورد می‌کند، کاهش می‌یابد. رنگ نور منتقل‌شده بسته به زاویه دید تغییر می‌کند. این کاهش عملکرد ناشی از اصول فیزیکی بنیادی است و می‌تواند تأثیر شدیدی بر دقت حسگرهای نوری داشته باشد.

راه‌حل نوآورانه

راه‌حلی که توسط این تیم بین‌المللی توسعه یافته، از یک اصل مکانیک کوانتومی استفاده می‌کند: زمانی که ذرات نور به شدت با حالت‌های انرژی یک ماده آلی هم‌تنیده می‌شوند، پلاریتون‌ها ایجاد می‌شوند.

فیلترهای فیلم نازک متداول از لایه‌های شفاف متناوب تشکیل شده‌اند که اغلب از اکسیدهای فلزی ساخته می‌شوند. نور به طور جزئی توسط این لایه‌های فردی منعکس یا منتقل می‌شود. ضخامت این لایه‌ها رنگ نور منتقل‌شده را از طریق تداخل سازنده و مخرب امواج نوری تعیین می‌کند، مشابه رنگ‌های درخشان حباب‌های صابونی. خواص انتقال و انعکاس فیلترها می‌تواند از طریق تعامل کنترل‌شده بسیاری از این لایه‌های نازک به دقت تنظیم شود. با این حال، این اصول فیزیکی فیلترها را به طور بنیادی در برابر آنچه که به عنوان پراکندگی زاویه‌ای شناخته می‌شود، آسیب‌پذیر می‌کند؛ یعنی تغییر در خواص طیفی به سمت طول موج‌های کوتاه‌تر (شیفت آبی) زمانی که فیلتر کج می‌شود.

رویکرد جدید دانشمندان در طراحی فیلترهای نوری

در رویکرد جدید خود، دانشمندان رنگدانه‌های آلی با جذب قوی را در فیلترهای نوری ادغام می‌کنند که منجر به اتصال قوی نور مداخله‌گر با این رنگدانه‌ها می‌شود. دکتر آندریاس میشوک از دانشگاه کلن، نویسنده اول این مطالعه، گفت: «معمولاً، شما می‌خواهید از هر نوع جذب در فیلترهای طیفی جلوگیری کنید تا کیفیت نوری آن‌ها تحت تأثیر قرار نگیرد. اما ما به‌طور خاص از جذب قوی نور در مواد آلی برای تولید حالت‌های پلاریتون با ثبات زاویه‌ای عالی و ویژگی‌های انتقالی بی‌نظیر استفاده می‌کنیم.»

این تیم موفق به توسعه فیلترهایی با ثبات زاویه‌ای استثنایی شد که حتی در زوایای دید شدید بالای ۸۰ درجه، تغییر طیفی کمتراز ۱۵ نانومتر را نشان دادند. طراحی‌های چندلایه پیچیده نیز نشان دادند که حداکثر انتقالی تا ۹۸ درصد دارند که معادل بهترین فیلترهای معمولی موجود است.

ادغام فیلترهای پلاریتون در دیودهای نوری

در یک پروژه تحقیقاتی مشترک با گروه پروفسور دکتر کُن واندوال از دانشگاه هاسلت، دانشمندان فیلترهای پلاریتون را در دیودهای نوری آلی ادغام کردند تا آشکارسازهای باریک‌بان ایجاد کنند و بدین ترتیب راه را برای پیشرفت در تصویربرداری هایپر طیفی، مانند شناسایی مواد و حسگرهای نوری جمع و جور هموار کنند.

این مطالعه نشان‌دهنده امکاناتی برای به‌کارگیری این فناوری در پلیمرها، پروسکایت‌ها، نقاط کوانتومی و سایر مواد است و به این ترتیب، اصل جدید فیلتر را به دامنه طول موج وسیع‌تری منتقل می‌کند. زمینه‌های ممکن برای کاربرد فیلترهای پلاریتون شامل میکرو-اپتیک، نمایشگرها، فناوری‌های حسگری و بیوفوتونیک است. در تمام این زمینه‌ها، عدم وابستگی زاویه‌ای فیلترهای جدید می‌تواند طراحی سیستم‌های نوری را به‌طور چشمگیری ساده‌تر کرده و قابلیت‌های آن‌ها را گسترش دهد.

تغییرات اساسی در طراحی فیلترهای نوری

پروفسور مالته گاتر، که رهبری این تحقیق را در دانشگاه کلن بر عهده دارد، گفت: «این یک تغییر انقلابی در نحوه طراحی فیلترهای نوری است. با پرداختن به مشکل پراکندگی زاویه‌ای با یک رویکرد بنیادی جدید، ما امکانات کاملاً جدیدی برای سیستم‌های نوری باز می‌کنیم.»

تیم تحقیقاتی فیلترهای پلاریتون را به‌عنوان سنگ بنای نسل بعدی اجزای نوری با پتانسیل علمی و اقتصادی عظیم می‌داند. علاوه بر ادغام فیلترها در حسگرهایی مانند LiDAR (تشخیص و اندازه‌گیری نور) و میکروسکوپی فلورسانس، کارهای آینده بر روی کاربردها در فناوری نمایشگر متمرکز خواهد بود.