MEMS -chips får metatlinser

Objektivteknologier har avanceret på tværs af alle skalaer, fra digitale kameraer og høj båndbredde i fiberoptik til LIGO -laboratorieinstrumenter. Nu, en ny linse teknologi, der kunne produceres ved hjælp af standard computer-chip teknologi, er ved at dukke op og kunne erstatte de omfangsrige lag og komplekse geometrier af traditionelle buede linser.

Flade linser, i modsætning til deres traditionelle kolleger, er relativt lette, baseret på optiske nanomaterialer kendt som metasurfaces. Når subbølgelængden nanostrukturer i en metasurface danner visse gentagne mønstre, de efterligner de komplekse krumninger, der bryder lys, men med mindre masse og en forbedret evne til at fokusere lys med reduceret forvrængning. Imidlertid, de fleste af disse nanostrukturerede enheder er statiske, hvilket begrænser deres funktionalitet.

Federico Capasso, en anvendt fysiker ved Harvard University, der var banebrydende inden for metalens teknologi, og Daniel Lopez, gruppeleder for nanofabrikation og udstyr på Argonne National Laboratory og en tidlig udvikler af mikroelektromekaniske systemer (MEMS), brainstormet om at tilføje bevægelsesegenskaber som hurtig scanning og strålestyring til metallinser til nye applikationer.

Capasso og Lopez udviklede en enhed, der integrerer mid-infrarødt spektrummetallenses i MEMS. Forskerne rapporterer deres resultater i denne uge i APL Photonics , fra AIP Publishing.

MEMS er en kredsløbbaseret teknologi, der indeholder mikroelektronik, som dem, der findes i computerchips, og inkluderer mekaniske mikrostrukturer som aktuatorer og gear. Allestedsnærværende i alt fra mobiltelefoner til airbags, biosensorer, apparater og optik, MEMS fremstilles ved hjælp af de samme teknikker, der bruges til integrerede kredsløb på typiske computerchips.

"Tæt integration af tusindvis af individuelt kontrollerede lens-on-MEMS-enheder på en enkelt siliciumchip ville tillade en hidtil uset grad af kontrol og manipulation af det optiske felt, "Lopez sagde.

Forskerne dannede metasurface-linse ved hjælp af standard fotolitografi teknikker på en silicium-on-isolator wafer med et 2 mikron tykt øverste enhedslag, et 200-nanometer begravet oxidlag, og et 600 mikron tykt håndtagslag. Derefter, de placerede den flade linse på en MEMS -scanner, i det væsentlige et mikronspejl, der afbøjer lys til højhastighedsmodulering af optisk sti-længde. De justerede linsen med MEMS 'centrale platform og fikserede dem sammen ved at deponere små platinplaster.

"Vores MEMS-integrerede metasurface-objektivprototype kan styres elektrisk for at variere vinkelrotationen af ​​en flad linse og kan scanne fokuspunktet med flere grader, "Sagde Lopez." Desuden denne proof-of-concept integration af metasurface-baserede flade linser med MEMS-scannere kan udvides til de synlige og andre dele af det elektromagnetiske spektrum, hvilket indebærer potentiale for anvendelse på tværs af bredere felter, såsom MEMS-baserede mikroskopsystemer, holografisk og projektionsbilleddannelse, LIDAR (lysdetektering og rækkevidde) scannere og laserudskrivning. "

Når den aktiveres elektrostatisk, MEMS -platformen styrer linsens vinkel langs to ortogonale akser, muliggør scanning af fladlinsens brændpunkt med cirka 9 grader i hver retning. Forskerne vurderer, at fokuseringseffektiviteten er omkring 85 procent.

"Sådanne metallinser kan masseproduceres med den samme computer-chip-fremstillingsteknologi og i fremtiden, vil erstatte konventionelle linser i en lang række applikationer, "Sagde Capasso.