Single metalens fokuserer alle regnbuens farver i ét punkt; åbner nye muligheder i virtuel, augmented reality

Metalenses – flade overflader, der bruger nanostrukturer til at fokusere lyset – lover at revolutionere optikken ved at erstatte de voluminøse, buede linser, der i øjeblikket anvendes i optiske enheder med en enkel, flad overflade. Men, disse metalenses har forblevet begrænset i lysspektret, de kan fokusere godt. Nu har et team af forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) udviklet den første enkelte linse, der kan fokusere hele det synlige spektrum af lys – inklusive hvidt lys – på samme sted og i høj opløsning. Dette er kun nogensinde blevet opnået med konventionelle linser ved at stable flere linser.

Forskningen er publiceret i Natur nanoteknologi .

Fokusering af hele det synlige spektrum og hvidt lys - kombination af alle spektrets farver - er så udfordrende, fordi hver bølgelængde bevæger sig gennem materialer med forskellige hastigheder. Røde bølgelængder, for eksempel, vil bevæge sig gennem glas hurtigere end det blå, så de to farver vil nå det samme sted på forskellige tidspunkter, hvilket resulterer i forskellige brændpunkter. Dette skaber billedforvrængninger kendt som kromatiske aberrationer.

Kameraer og optiske instrumenter bruger flere buede linser af forskellig tykkelse og materialer til at korrigere disse aberrationer, hvilken, selvfølgelig, føjer til hovedparten af ​​enheden.

"Metalenses har fordele i forhold til traditionelle linser, " siger Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i anvendt fysik og Vinton Hayes seniorforsker i elektroteknik ved SEAS og seniorforfatter af forskningen. "Metalenser er tynde, nem at fremstille og omkostningseffektiv. Dette gennembrud udvider disse fordele over hele det synlige lysområde. Dette er det næste store skridt."

Harvard Office of Technology Development (OTD) har beskyttet den intellektuelle ejendomsret i forbindelse med dette projekt og undersøger kommercialiseringsmuligheder.

Metalenses udviklet af Capasso og hans team bruger arrays af titaniumdioxid nanofiner til ligeligt at fokusere bølgelængder af lys og eliminere kromatisk aberration. Tidligere forskning viste, at forskellige bølgelængder af lys kunne fokuseres, men på forskellige afstande ved at optimere formen, bredde, afstand, og højden af ​​nanofinnerne. I dette seneste design, forskerne skabte enheder af parrede nanofiner, der styrer hastigheden af ​​forskellige bølgelængder af lys samtidigt. De parrede nanofiner styrer brydningsindekset på metasoverfladen og er indstillet til at resultere i forskellige tidsforsinkelser for lyset, der passerer gennem forskellige finner, sikre, at alle bølgelængder når brændpunktet på samme tid.

"En af de største udfordringer ved at designe en akromatisk bredbåndslinse er at sikre, at de udgående bølgelængder fra alle metalens forskellige punkter ankommer til fokuspunktet på samme tid, " sagde Wei Ting Chen, en postdoc ved SEAS og førsteforfatter til papiret. "Ved at kombinere to nanofiner i ét element, vi kan justere lysets hastighed i det nanostrukturerede materiale, for at sikre, at alle bølgelængder i det synlige er fokuseret på det samme sted, ved hjælp af en enkelt metalens. Dette reducerer dramatisk tykkelse og designkompleksitet sammenlignet med sammensatte standard akromatiske linser."

"Ved at bruge vores akromatiske linse, vi er i stand til at yde høj kvalitet, hvidt lys billeddannelse. Dette bringer os et skridt nærmere målet om at inkorporere dem i almindelige optiske enheder såsom kameraer, " sagde Alexander Zhu, medforfatter til undersøgelsen.

Næste, forskerne sigter mod at opskalere linsen, til omkring 1 cm i diameter. Dette ville åbne en hel række nye muligheder, såsom applikationer i virtual og augmented reality.