فیلترهای خارق‌العاده: فناوری نوین برای نمایشگرها و حس‌گرها

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 ارتباط قوی نور و ماده شده‌اند. این پیشرفت به فناوری نوری نوآورانه‌ای منجر شده که مشکل دیرینه وابستگی زاویه‌ای در سیستم‌های نوری را حل می‌کند. مطالعه‌ای تحت عنوان «شکستن محدودیت پراکندگی زاویه‌ای در اپتیک فیلم نازک با استفاده از ارتباط فوق‌قوی نور و ماده» که در نشریه Nature Communications منتشر شده، فیلترهای پلاریتون فیلم نازک فوق‌پایداری را معرفی می‌کند که افق‌های جدیدی در زمینه‌های فوتونیک، تکنولوژی حسگر، تصویربرداری نوری و تکنولوژی 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 ریاضی 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 به اصول فیزیکی بنیادی مربوط می‌شود و می‌تواند تأثیر شدیدی بر دقت حسگرهای نوری داشته باشد.

راه‌حل نوآورانه تیم تحقیقاتی

راه‌حلی که توسط این تیم بین‌المللی توسعه یافته، از اصلی در مکانیک کوانتومی استفاده می‌کند: زمانی که ذرات نور به شدت با حالت‌های انرژی یک ماده ارگانیک ارتباط برقرار می‌کنند، به اصطلاح پلاریتون‌ها ایجاد می‌شوند.

فیلترهای فیلم نازک متداول از لایه‌های شفاف متناوبی 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 صابون. خواص انتقال و انعکاس فیلترها می‌تواند از طریق تعامل کنترل‌شده بسیاری از این لایه‌های نازک به دقت تنظیم شود. اما این اصل فیزیکی، فیلترها را به طور بنیادی به آنچه که به آن پراکندگی زاویه‌ای می‌گویند، حساس 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 بالا را در فیلترهای نوری ادغام می‌کنند که این اقدام منجر به ایجاد پیوند قوی بین نور مداخله‌گر و رنگدانه‌ها می‌شود. دکتر آندریاس میشوک از دانشگاه کلن، نویسنده اول این مطالعه، گفت: “معمولاً باید از هر نوع جذب در فیلترهای طیفی اجتناب کرد تا کیفیت نوری آن‌ها تحت تأثیر قرار نگیرد. با این حال، 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 80 درجه، تغییر طیفی کمتر از 15 نانومتر را نشان دادند. طراحی‌های چندلایه پیچیده نیز نشان دادند که می‌توانند حداکثر انتقال تا 98 درصد را ارائه دهند که معادل بهترین فیلترهای متعارف موجود است.

ادغام فیلترهای پلاریتون در دیودهای نوری آلی

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 باریک‌باندی ایجاد کنند و راه را برای پیشرفت در تصویربرداری هایپرطیفی، 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 به طرز چشمگیری ساده‌تر کرده و عملکرد آن‌ها را گسترش دهد.

تغییرات انقلابی در طراحی فیلترهای نوری

پروفسور مالت 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 ایجاد می‌کنیم.”

تیم تحقیقاتی فیلترهای پلاریتون را به‌عنوان سنگ بنای نسل بعدی اجزای نوری با پتانسیل علمی و اقتصادی عظیم در نظر می‌گیرد. 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.