Monolags overgangsmetal dichalcogenid linse til billedbehandling i høj opløsning

En ultratynd optisk linse fremstillet af et monolag af todimensionale overgangsmetaldichalcogenider (TMDC'er) kunne bane vejen for næste generations billeddannelsesenheder. Et internationalt team af forskere, ledet af prof. Baohua Jia fra Swinburne University of Technology i Australien, brugte femtosekundlaserskrivning til at mønstre nanopartikler på TMDC -krystaller. Objektivet har en sub-bølgelængdeopløsning og en tredimensionel fokuseringseffektivitet på 31%, at lægge grundlaget for optiske enheder til brug i nano-optik og on-chip fotoniske applikationer.

Linser er en af ​​de mest almindeligt anvendte optiske komponenter i dagligdagen, herunder briller, mikroskopiske mål, forstørrelsesglas, og kameralinser. Konventionelle linser er baseret på princippet om lysbrydning, ved hjælp af forskellige materialer, sfæriske overflader og rumlige positioner for at opnå kontrol over lyset. Fremstilling af konventionelle linser, herunder processerne til materialevalg, skæring, grov slibning, fint slibning, polering, og test. For at minimere aberrationer inklusive den kromatiske aberration, sfærisk aberration og astigmatisme, det er nødvendigt at stable flere lag linser for at danne sammensatte linser, hvilket fører til kompleksiteten og besværligheden af ​​det nuværende kameraudstyr.

Derfor, en enorm indsats er blevet afsat til udviklingen af ​​ultratynde flade linser. I modsætning til konventionelle objektiver, flade linser bruger nanostrukturer til at modulere lys. Ved at kontrollere de optiske egenskaber og den rumlige position for hvert nano-element, avancerede funktioner, såsom akromatisk og aberration-fri fokusering, høj rumlig opløsning og særlige fokalintensitetsfordelinger kan opnås. Imidlertid, når materialetykkelsen reduceres til subbølgelængden den utilstrækkelige fase- eller amplitudemodulation baseret på det iboende brydningsindeks og absorption af materialerne resulterer i dårlig linseydelse.

I et nyt papir udgivet i Letvidenskab og applikationer , et hold forskere, ledet af prof. Baohua Jia ved Center for Translational Atomaterials, Swinburne University of Technology, Australien, Prof. Qiaoliang Bao tidligere ved Monash University, Prof. Chengwei Qiu ved National University of Singapore og kolleger har udviklet en innovativ metode til fremstilling af højtydende linser i monolags todimensionale overgangsmetalldichalcogenid (TMDC) materiale ved hjælp af en femtosekundlaser til mønster af nanopartikler. Objektivet har en sub-bølgelængdeopløsning og en fokuseringseffektivitet på 31%, at lægge grundlaget for i sidste ende tynde optiske enheder til brug i nano-optik og on-chip fotoniske applikationer.

Selvom linser fremstillet af flerlags TMDC'er er blevet demonstreret før, når deres tykkelse reduceres til sub-nanometer skalaen, deres utilstrækkelige fase- eller amplitudemodulation resulterer i fokuseringseffektivitet på mindre end 1%. Det internationale team opdagede, at det er muligt at generere nanopartikler ved hjælp af en femtosekund laserstråle til at interagere med monolags TMDC -materialet, hvilket er væsentligt forskelligt fra processen frembragt af en kontinuerlig bølgelaser. Når laserpulsen er så kort, at hele materialet forbliver koldt efter laserprocessen, nanopartiklerne kan fastgøre fast til underlaget. Nanopartiklerne viser meget stærk spredning for at modulere lysets amplitude. Derfor, linsen fremstillet af nanopartikler kan give subbølgelængdeopløsning og høj effektivitet, som gør det muligt for teamet at demonstrere diffraktionsbegrænset billeddannelse ved hjælp af linserne.

Et monolag er den tyndeste form af et materiale, hvilket er den ultimative fysiske tykkelsesgrænse. Ved at bruge monolaget til fremstilling af linser, processen, der blev demonstreret i denne undersøgelse, brugte det mindst materiale, der opfyldte den teoretiske begrænsning. Vigtigere, femtosekund laserfremstillingsteknikken er en enkel trin i en enkelt proces, uden kravene til højt vakuum eller specielt miljø, det giver således den enkleste måde at fremstille et ultratyndt fladt objektiv. Som resultat, linsen kan let integreres i alle fotoniske eller mikrofluidiske enheder til brede applikationer.

"Vi har brugt det tyndeste materiale i verden til at fremstille en flad linse, og bevise, at den ultratynde objektivs gode ydeevne kan føre til billedbehandling i høj opløsning. Det viser et enormt potentiale i forskellige applikationer, såsom briller, mikroskopi linser, teleskoper og kameralinser. Det kan forudses, at ved at bruge denne teknik, vægten og størrelsen på kameralinser kan reduceres betydeligt i den nærmeste fremtid, "sagde Dr. Han Lin, den første forfatter fra Center for Translational Atomaterials, Swinburne University of Technology.

"Vi er begejstrede for at se dette unikke resultat fra femtosekundlasers behandling af 2-D-materialer. Det åbner nye muligheder for at fremstille fotoniske enheder ved hjælp af en skalerbar metode, "tilføjet af prof. Baohua Jia, Direktør for Center for Translational Atomaterials.

"Vi kan integrere monolags 2-D-materialelinsen på ønskede enheder ved blot at vedhæfte materialet og derefter bruge en femtosekundlaser til at udføre fremstilling. Hele processen er enkel, og metoden er fleksibel og lav pris. Dermed, vi ser også metodens store anvendelsespotentiale, "kommenterede prof. Qiaoliang Bao tidligere ved Monash University.

"Vi designer vores linse på en sådan måde, at billedet kan findes på forskellige fokusplaner, med forskellige forstørrelser. Denne mekanisme kan let bruges til at udvikle et optisk zoomobjektiv til brug i mobiltelefonkameraer. I øjeblikket, objektiver med forskellige brændvidder bruges til at opnå forskellige zoomfunktioner. Imidlertid, vores linser kan opnå forskellige zoomhastigheder simpelthen med ét design, "konkluderede prof. Chengwei Qiu fra National University of Singapore prognoser.