نورپردازی متحول می‌شود: انقلاب کوانتومی در فیلترهای نوری!

پژوهش‌های نو در نورپردازی، با یاری کوانتوم

گروهی از پژوهشگران از دانشگاه کلن، دانشگاه هاسلت (در بلژیک) و دانشگاه سنت اندروز (در اسکاتلند)، دست به نوآوری زده و از اصول مکانیک کوانتومی در برقراری یک پیوند مستحکم میان نور و ماده بهره برده‌اند. این گام، به پیشرفتی در فناوری نورپردازی منجر شده که به گره‌ی دیرینه‌ی وابستگی زاویه‌ای در سامانه‌های نوری، راه‌حل می‌بخشد. این یافته‌ها در مقاله‌ای با عنوان «شکستن محدودیت‌های پراکندگی زاویه‌ای در اپتیک لایه‌ی نازک با استفاده از پیوند فوق‌قوی نور و ماده» در نشریه‌ی Nature Communications منتشر شده است. این پژوهшшگران، فیلترهای پلاریتون لایه‌ی نازک فوق‌مقاومی را معرفی می‌کنند که دریچه‌های تازه‌ای را در زمینه‌هایی نظیر فوتونیک، فناوری حسگر، تصویربرداری نوری و فناوری نمایشگر می‌گشایند.

این تحقیقات در دانشگاه کلن، با هدایت پروفسور دکتر مالته گاتر، مدیر مرکز هومبولت برای نانو و بیوفوتونیک در دانشکده‌ی شیمی و بیوشیمی، از دانشکده‌ی ریاضیات و علوم طبیعی، انجام شده است.

اهمیت فیلترهای نوری

فیلترهای نوری، برای بسیاری از کاربردها، ضروری هستند. اما اشکال کار اینجاست که عملکرد آن‌ها، هنگامی که نور با زوایای گوناگون به آن‌ها برخورد می‌کند، با افت جدی مواجه می‌شود. رنگ نوری که عبور می‌کند، بسته به زاویه‌ی دید، تغییر می‌کند. این کاهش عملکرد، ریشه در اصول بنیادی فیزیک دارد و می‌تواند تأثیرات عمیقی بر دقت حسگرهای نوری داشته باشد.

راهکار نوآورانه‌ی تیم پژوهشی

راه‌حلی که این گروه بین‌المللی ارائه کرده‌اند، از اصلی در مکانیک کوانتومی استفاده می‌کند: وقتی ذرات نور، با حالت‌های انرژی یک ماده‌ی ارگانیک، تعامل شدید داشته باشند، چیزی به اسم پلاریتون‌ها شکل می‌گیرند.

فیلترهای لایه‌ی نازک معمولاً از لایه‌های شفافی تشکیل شده‌اند که به تناوب روی هم قرار می‌گیرند و غالباً از اکسیدهای فلزی ساخته شده‌اند. نور، به طور جزئی، توسط این لایه‌های منفرد، یا بازتابیده می‌شود یا از آن‌ها عبور می‌کند. ضخامت این لایه‌ها، رنگ نوری که از آن‌ها عبور می‌کند را مشخص می‌کند؛ که این اتفاق به دلیل تداخل سازنده و ویرانگر امواج نور رخ می‌دهد، درست مثل رنگ‌های درخشان حباب صابون. خصوصیات عبور و بازتابش فیلترها، را می‌توان با کنترل دقیق تعامل میان این لایه‌های نازک، تنظیم کرد. اما همین اصل فیزیکی، سبب می‌شود که فیلترها به چیزی که پراکندگی زاویه‌ای نامیده می‌شود، حساس شوند؛ یعنی تغییر در خصوصیات طیفی به سمت طول موج‌های کوتاه‌تر (جابه‌جایی به سمت آبی) زمانی که فیلتر کج می‌شود.

رویکرد نوین دانشمندان در طراحی فیلترهای نوری

دانشمندان در این رویکرد جدید، از رنگدانه‌های آلی با جاذبیت بالا در فیلترهای نوری استفاده می‌کنند که این امر، پیوند مستحکمی را میان نور و رنگدانه‌ها ایجاد می‌کند. دکتر آندریاس میشوک، از دانشگاه کلن، نویسنده‌ی اصلی این مقاله، می‌گوید: «به‌طور معمول، در فیلترهای طیفی، باید از هر نوع جذبی پرهیز کرد تا کیفیت نوری‌شان حفظ شود. اما ما به‌صورت ویژه از جذب قوی نور در مواد آلی بهره می‌بریم تا حالت‌های پلاریتونی با پایداری زاویه‌ای فوق‌العاده و ویژگی‌های انتقالی بی‌نظیر تولید کنیم.»

این گروه توانسته‌اند فیلترهایی با پایداری زاویه‌ای بی‌نظیر بسازند که حتی در زوایای دید تندتر از ۸۰ درجه، تغییرات طیفی‌شان کمتر از ۱۵ نانومتر است. همچنین، طرح‌های لایه‌ای پیچیده نشان دادند که می‌توانند تا ۹۸ درصد نور را عبور دهند که این مقدار، معادل بهترین فیلترهای رایج موجود است.

ادغام فیلترهای پلاریتون در دیودهای نوری آلی

در یک پروژه‌ی تحقیقاتی مشترک با گروه پروفسور دکتر کُن واندوال از دانشگاه هاسلت، دانشمندان به‌دنبال ادغام فیلترهای پلاریتون در دیودهای نوری آلی بودند تا آشکارسازهای باریک‌باندی بسازند و بدین ترتیب، مسیر پیشرفت در تصویربرداری هایپراسکترال، مثل شناسایی مواد و حسگرهای نوری فشرده را هموار سازند.

این پژوهش، امکان به‌کارگیری این فناوری در پلیمرها، پروسکایت‌ها، نقاط کوانتومی و سایر مواد را نشان داده است و به عبارت دیگر، اصل جدید فیلتر را به محدوده‌ی وسیع‌تری از طول موج‌ها می‌برد. زمینه‌های احتمالی کاربرد فیلترهای پلاریتونی شامل میکرو-اپتیک، نمایشگرها، فناوری‌های حسگری و بیوفوتونیک است. در همه‌ی این حوزه‌ها، نبود وابستگی زاویه‌ای در فیلترهای جدید می‌تواند طراحی سامانه‌های نوری را به شکل چشمگیری ساده‌تر کند و کارایی آن‌ها را ارتقا دهد.

تغییرات بنیادین در طراحی فیلترهای نوری

پروفسور مالت گاتر، که رهبری این پژوهش در دانشگاه کلن را بر عهده دارد، گفت: «این یک تغییر اساسی و بنیادین در روش طراحی فیلترهای نوری است. ما با پرداختن به مشکل پراکندگی زاویه‌ای از طریق یک رویکرد کاملاً جدید، امکانات کاملاً تازه‌ای را برای سامانه‌های نوری فراهم می‌کنیم.»

گروه پژوهشی، فیلترهای پلاریتون را به‌عنوان پایه‌های نسل بعدی اجزای نوری می‌شناسد که از نظر علمی و اقتصادی، پتانسیل بسیار بالایی دارند. کارهای آتی، علاوه بر ادغام فیلترها در حسگرهایی نظیر LiDAR (تشخیص و اندازه‌گیری نور) و میکروسکوپ فلورسانس، بر روی کاربردها در فناوری نمایشگر متمرکز خواهد بود.