Polaryzatory terahercowe kosztują tysiące dolarów. Australijczycy wykonali działający odpowiednik z folii aluminiowej w zaledwie 15 sekund.
Fizycy potrzebowali elementu optycznego, który kosztowałby tysiące dolarów. Zamiast go zamówić, wzięli kawałek zwykłej folii aluminiowej i po prostu zaczęli strzelać w niego laserem. Po miesiącach dopracowywania parametrów doszli do momentu, w którym wykonanie działającego polaryzatora terahercowego zajmuje około 15 sekund. Sama folia nie kosztuje praktycznie nic.
Wygląda jak kawałek metalu. Dla fal zachowuje się jak filtr
Urządzenie nazywa się polaryzatorem drutowo-siatkowym. W świecie fal terahercowych jest jednym z najbardziej podstawowych elementów aparatury. Kontroluje polaryzację promieniowania elektromagnetycznego, czyli orientację jego pola elektrycznego. Najprościej wyobrazić go sobie jako metalową kratkę złożoną z bardzo wielu równoległych, niezwykle cienkich przewodzących pasków.
Jeżeli fala elektromagnetyczna trafia na taką strukturę, to składowa pola elektrycznego ustawiona równolegle do metalowych pasków wprawia znajdujące się w nich elektrony w ruch. W efekcie ta część promieniowania jest głównie odbijana lub tłumiona. Składowa ustawiona prostopadle może natomiast przejść przez szczeliny.
Z jednej nieuporządkowanej wiązki dostajemy więc promieniowanie o wybranej polaryzacji. Sama zasada jest stara i bardzo dobrze znana. Problem zaczyna się wtedy, gdy siatkę trzeba wykonać z dokładnością odpowiednią dla fal o częstotliwościach liczonych w terahercach. Promieniowanie terahercowe znajduje się pomiędzy mikrofalami a podczerwienią. W nowej pracy badacze zajmowali się zakresem mniej więcej od 0,1 do 1,5 THz, choć sama dziedzina obejmuje znacznie szersze pasmo.
Długości fal są tutaj rzędu ułamków milimetra i milimetrów. To wystarczająco mało, żeby elementy sterujące promieniowaniem musiały mieć bardzo precyzyjne, mikrometryczne struktury. Jednocześnie jest to zakres, w którym klasyczna optyka rozwijana dla światła widzialnego nie zawsze daje się po prostu przeskalować. A teraherce są wyjątkowo interesujące.
Tego typu promieniowanie może przechodzić przez papier, tkaniny, niektóre tworzywa sztuczne czy opakowania. Jednocześnie jest promieniowaniem niejonizującym, więc nie działa na materię tak jak wysokoenergetyczne promieniowanie rentgenowskie. Właśnie dlatego rozwija się terahercowe obrazowanie, spektroskopię materiałów, kontrolę przemysłową i systemy bezpieczeństwa.
Na Spider’s Web opisywaliśmy już polski projekt T-Skin, w którym promieniowanie terahercowe miało pomagać w nieinwazyjnym obrazowaniu zmian skóry. Woda bardzo silnie pochłania ten zakres, co jednocześnie ogranicza penetrację tkanek i pozwala wykrywać różnice w ich adekwatnościach. Teraherce są też jedną z technologii rozważanych dla przyszłej telekomunikacji.
Jak pisaliśmy przy okazji prac nad 6G, pasma submilimetrowe i terahercowe mogą w przyszłości zapewnić gigantyczne przepustowości. Ceną jest bardzo duże tłumienie i znacznie trudniejsze generowanie, odbieranie oraz kontrolowanie tak wysokich częstotliwości. Każdy tani element optyczny robi się więc interesujący.
Dzisiaj cienkie druciki potrafią kosztować tysiące dolarów
Klasyczny samonośny polaryzator THz wygląda zaskakująco archaicznie. Można go wykonać z mikroskopijnych drutów wolframowych, które specjalna maszyna nawija jeden obok drugiego z bardzo dokładnie kontrolowanym odstępem. Brzmi trochę jak produkcja żarówki sprzed kilkudziesięciu lat, tylko wymagająca znacznie większej precyzji.
Alternatywą jest fotolitografia i mikroobróbka. Można nanosić cienkie warstwy metalu na podłoże, pokrywać je fotorezystem, wykonywać maski, naświetlać i trawić odpowiedni wzór. To działa świetnie, ale wymaga specjalistycznej infrastruktury, często cleanroomu i wielu etapów technologicznych. Jest też kompromis polegający na umieszczeniu metalowej siatki na przezroczystym podłożu.
Tyle iż przy terahercach podłoże nie zawsze pozostaje optycznie niewidzialne. Może pochłaniać część promieniowania, generować odbicia Fresnela oraz wielokrotne odbicia między powierzchniami, czyli efekt Fabry’ego-Pérota. W spektroskopii czasowej takie dodatkowe sygnały potrafią zwyczajnie przeszkadzać w pomiarze. Najczystsze rozwiązanie to więc kratka wisząca sama w powietrzu. I właśnie coś takiego Australijczycy wycięli z folii.
Zespół z ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems oraz Australian National University wykorzystał impulsowy laser nanosekundowy. System MOPA pracował przy długości fali 1064 nm, pozwalał regulować czas impulsów od 1 do 500 ns, częstotliwość ich powtarzania do 500 kHz i osiągał średnią moc do 20 W.
Cała sztuka polegała na znalezieniu bardzo wąskiego okna parametrów. o ile impuls przekazywał metalowi za mało energii, folia nie była przecinana. o ile energii było za dużo, aluminium mocno się nagrzewało. Cienkie paski zaczynały się odkształcać, wyginać albo zrywać. Przy strukturze składającej się z dziesiątek długich metalowych drutów choćby niewielkie rozszerzenie cieplne powoduje problem. Nie ma podłoża, które utrzymałoby wszystko na swoim miejscu. Badacze przez miesiące zmieniali długość impulsów, moc, częstotliwość i prędkość prowadzenia wiązki. W końcu trafili w odpowiedni punkt.
Przetestowali dwie metody
W najszybszym wariancie aluminiową folię o grubości około 25 μm mocowano do metalowej ramki. Pod spodem znajdowała się aluminiowa płyta pełniąca m.in. rolę radiatora. Laser wykonywał pojedyncze przejście z prędkością cięcia około 250 mm/s. Używano impulsów o czasie około 2 ns i częstotliwości 500 kHz przy średniej mocy 6 W. Polaryzator o średnicy 20 mm powstawał w około 15 sekund. To właśnie stąd pochodzi najbardziej efektowna liczba z badania. Po zakończeniu cięcia nie trzeba było usuwać podłoża ani wykonywać kolejnej litografii. Z folii pozostawała samonośna regularna siatka.
Ta metoda ma jednak swoje ograniczenie. Dobrze działa głównie dla stosunkowo małych struktur i grubszej folii. Gdy naukowcy próbowali robić delikatniejsze i większe układy, termika oraz mechanika cienkich pasków zaczynały wygrywać. Właśnie dlatego opracowali drugi wariant.
W jego przypadku folia aluminiowa miała zaledwie około 10 μm grubości i na czas obróbki była przyklejana do szklanego podłoża. Laser pracował znacznie łagodniej. Zamiast próbować przeciąć metal jednym mocnym przejściem, wykonywał wiele kolejnych skanów, za każdym razem usuwając mniej więcej 0,5 μm materiału. Dzięki temu ciepło nie deformowało tak mocno powstającej kratki.
Po obróbce całość trafiała do acetonu na około 3 godz., klej puszczał i zostawał samonośny metalowy polaryzator o powierzchni choćby około 20 x 20 mm. Struktura z okresem 100 μm powstawała w około 1,5 min, a gęstsza, z okresem 75 μm w mniej więcej 2 min. To przez cały czas błyskawicznie w porównaniu z częścią klasycznych technik.
Jedna struktura przepuszczała ponad 80 proc. adekwatnej polaryzacji
Czy taki kuchenny wynalazek rzeczywiście działa? Badacze sprawdzili wykonane elementy dzięki spektroskopii terahercowej w domenie czasu. Dla siatki o okresie około 75 μm transmisja pożądanej polaryzacji przekraczała 80 proc. w badanym zakresie częstotliwości, podczas gdy niepożądana składowa pozostawała poniżej 1 proc.
W konstrukcji o okresie 100 μm uzyskiwano współczynnik wygaszania rzędu 20-50 dB zależnie od częstotliwości. To bardzo przyzwoite wyniki jak na materiał, który chwilę wcześniej mógł służyć do zapakowania kanapki.
Autorzy jednak sami przyznają w publikacji, iż pod względem kluczowych parametrów takich jak współczynnik wygaszania i straty wtrąceniowe obecne prototypy nie są jeszcze lepsze od wysokiej klasy komercyjnych polaryzatorów. Naukowcy pokazali przede wszystkim metodę produkcji.
*Źródło grafiki wprowadzającej: Africa images, Canva Pro
