Университет Штутгарта создал плоские кремниевые УФ-зеркала на воздушных резонаторах для света 325 нм

Исследователи Штутгартского университета создали в кремнии отражающие ультрафиолетовые метаповерхности, которые фокусируют свет с длиной волны 325 нм. Работа опубликована в Advanced Photonics (том 9, выпуск 1, статья 016002, 2026) и описана в пресс-релизе SPIE от 4 ноября 2026 года doi.orgAdvanced Photonicsdoi.orgОткрыть источник ↗.

Кремний сильно поглощает ультрафиолет, поэтому обычный подход с массивом твёрдых столбиков с высоким показателем преломления не работает: свет внутри них терялся бы, а не перенаправлялся. Авторы вместо этого вытравили в объёмном кремнии небольшие воздушные полости, так называемые Mie-пустоты (Mie voids). Свет, попавший в пустоту, отражается от окружающих границ кремния и образует резонансную моду, сосредоточенную преимущественно в воздухе, где поглощение пренебрежимо мало doi.orgAdvanced Photonicsdoi.orgОткрыть источник ↗.

По словам авторов, сильное УФ-поглощение кремния само способствует такому удержанию: оптические свойства, сопровождающие поглощение, повышают отражательную способность границы воздух–кремний. Метод не устраняет поглощение, а удерживает значительную часть резонансного поля вдали от поглощающего материала doi.orgAdvanced Photonicsdoi.orgОткрыть источник ↗.

Эллиптические пустоты и фокусировка

Пустоты имеют форму эллипсов длиной около 470 нанометров и глубиной 100 нанометров. При освещении циркулярно поляризованным светом отражённый пучок приобретает геометрическую фазу, равную удвоенному углу поворота пустоты. Изменяя этот поворот по метаповерхности размером около полумиллиметра, профиль фокусировки кодируют прямо в кремнии. Под оптическим микроскопом рисунок виден как цветные кольца doi.orgAdvanced Photonicsdoi.orgОткрыть источник ↗.

При падении под углом 45 градусов света 325 нм метаповерхности работают как плоские аналоги внеосевых параболических зеркал: они поворачивают пучок на 90 градусов и одновременно фокусируют его. Изготовлены образцы с фокусными расстояниями от 5 миллиметров до 1,25 миллиметра; они давали круглые фокальные пятна размером около одного микрометра. В статье указаны числовые апертуры до 0,2, а пятна приближались к дифракционному пределу до числовой апертуры 0,15 doi.orgAdvanced Photonicsdoi.orgОткрыть источник ↗.

Команда также добавила к профилю фокусировки спиральный фазовый член до l=3. Это стандартный путь к пучкам с орбитальным угловым моментом, у которых в сечении кольцевое распределение интенсивности doi.orgAdvanced Photonicsdoi.orgОткрыть источник ↗.

Изготовление и формирование пучков

Метаповерхности делают за один шаг литографии и травления на стандартных кремниевых подложках, совместимых с отработанной полупроводниковой технологией. Авторы отмечают, что объёмная подложка механически прочна и хорошо отводит тепло doi.orgAdvanced Photonicsdoi.orgОткрыть источник ↗.

Они также заявляют, что механизм выдерживает поглощение и даже выигрывает от него, поэтому его можно распространить на глубокий и вакуумный УФ-диапазон и на другие материалы. Поскольку у многих биомолекул есть характерные УФ-спектры поглощения, авторы предполагают, что такие компактные элементы могут найти применение в интегрированных сенсорах doi.orgAdvanced Photonicsdoi.orgОткрыть источник ↗.