Nye metaller skifter fokus uden at vippe eller bevæge sig

Poleret glas har været i centrum for billeddannelsessystemer i århundreder. Deres præcise krumning gør det muligt for linser at fokusere lys og producere skarpe billeder, om objektet i visning er en enkelt celle, siden i en bog, eller en fjern galakse.

Ændring af fokus for at se klart på alle disse skalaer kræver typisk fysisk bevægelse af en linse, ved at vippe, glidende, eller på anden måde flytte linsen, normalt ved hjælp af mekaniske dele, der tilføjer hovedparten af ​​mikroskoper og teleskoper.

Nu har MIT -ingeniører fremstillet en afstemmelig "metalens", der kan fokusere på objekter i flere dybder, uden ændringer i dens fysiske position eller form. Objektivet er ikke lavet af massivt glas, men af ​​et gennemsigtigt "faseskiftende" materiale, der, efter opvarmning, kan omarrangere sin atomstruktur og derved ændre den måde, materialet interagerer med lys.

Forskerne ætsede materialets overflade med små, præcist mønstrede strukturer, der fungerer sammen som en "metasurface" for at bryde eller reflektere lys på unikke måder. Når materialets ejendom ændres, metasoverfladens optiske funktion varierer i overensstemmelse hermed. I dette tilfælde, når materialet er ved stuetemperatur, metasurface fokuserer lys for at generere et skarpt billede af et objekt på en vis afstand. Efter at materialet er opvarmet, dets atomstruktur ændres, og som svar, metasurface omdirigerer lys for at fokusere på et fjernere objekt.

På denne måde, de nye aktive "metal" kan indstille sit fokus uden behov for omfangsrige mekaniske elementer. Det nye design, som i øjeblikket billeder inden for det infrarøde bånd, muliggør mere smidige optiske enheder, såsom miniaturevarme til droner, ultrakompakte termiske kameraer til mobiltelefoner, og lavprofilerede nattsynsbriller.

"Vores resultat viser, at vores ultratynde tunbare linse, uden bevægelige dele, kan opnå afvigelsesfri billeddannelse af overlappende objekter placeret i forskellige dybder, konkurrerende traditionel, omfangsrige optiske systemer, "siger Tian Gu, forsker ved MIT's Materials Research Laboratory.

Gu og hans kolleger har offentliggjort deres resultater i dag i tidsskriftet Naturkommunikation . Hans medforfattere omfatter Juejun Hu, Mikhail Shalaginov, Yifei Zhang, Fan Yang, Peter Su, Carlos Rios, Qingyang Du, og Anuradha Agarwal på MIT; Vladimir Liberman, Jeffrey Chou, og Christopher Roberts fra MIT Lincoln Laboratory; og samarbejdspartnere ved University of Massachusetts i Lowell, University of Central Florida, og Lockheed Martin Corporation.

En materialetilpasning

Det nye objektiv er lavet af et faseskiftende materiale, som teamet fremstillede ved at tilpasse et materiale, der almindeligvis bruges i omskrivbare cd'er og dvd'er. Kaldes GST, det omfatter germanium, antimon, og tellur, og dens indre struktur ændres ved opvarmning med laserpulser. Dette gør det muligt for materialet at skifte mellem gennemsigtige og uigennemsigtige tilstande - mekanismen, der gør det muligt at skrive data, der er gemt på cd'er, tørrede væk, og omskrevet.

Tidligere i år, forskerne rapporterede at tilføje et andet element, selen, til GST for at lave et nyt faseskiftende materiale:GSST. Da de opvarmede det nye materiale, dens atomstruktur skiftede fra en amorf, tilfældigt virvar af atomer til en mere ordnet, krystallinsk struktur. Dette faseskift ændrede også den måde, hvorpå infrarødt lys rejste gennem materialet, påvirker brydningsevne, men med minimal indvirkning på gennemsigtighed.

Teamet spekulerede på, om GSSTs omstillingsevne kunne skræddersys til at rette og fokusere lys på bestemte punkter afhængigt af dets fase. Materialet kunne derefter tjene som en aktiv linse, uden behov for mekaniske dele til at skifte fokus.

"Generelt når man laver en optisk enhed, det er meget udfordrende at justere dets egenskaber efter fabrikation, "Siger Shalaginov." Derfor er det at have denne form for platform som en hellig gral for optiske ingeniører, der gør det muligt for [metalerne] at skifte fokus effektivt og over et stort område. "

I det varme sæde

I konventionelle objektiver, glas er præcist buet, så indkommende lysstråle bryder linsen af ​​i forskellige vinkler, konvergerer på et punkt et vist stykke væk, kendt som objektivets brændvidde. Linserne kan derefter producere et skarpt billede af alle objekter i den pågældende afstand. Til billedobjekter i en anden dybde, linsen skal bevæges fysisk.

I stedet for at stole på et materiales faste krumning for direkte lys, forskerne søgte at ændre GSST-baserede metaller på en måde, så brændvidden ændres med materialets fase.

I deres nye undersøgelse, de fremstillede et 1 mikron tykt lag af GSST og skabte en "metasurface" ved at ætse GSST-laget i mikroskopiske strukturer af forskellige former, der bryder lys på forskellige måder.

"Det er en sofistikeret proces at bygge metasurface, der skifter mellem forskellige funktioner, og kræver fornuftig konstruktion af, hvilken form og mønstre der skal bruges, "Gu siger." Ved at vide, hvordan materialet vil opføre sig, vi kan designe et specifikt mønster, som vil fokusere på et tidspunkt i den amorfe tilstand, og skifte til et andet punkt i den krystallinske fase. "

De testede de nye metaller ved at placere det på en scene og belyse det med en laserstråle afstemt til det infrarøde lysbånd. På visse afstande foran linsen, de placerede gennemsigtige objekter sammensat af dobbeltsidede mønstre af vandrette og lodrette stænger, kendt som opløsningskort, der typisk bruges til at teste optiske systemer.

Linsen, i sin oprindelige, amorf tilstand, frembragte et skarpt billede af det første mønster. Teamet opvarmede derefter linsen for at transformere materialet til en krystallinsk fase. Efter overgangen, og med varmekilden fjernet, linsen frembragte et lige så skarpt billede, denne gang i den anden, længere sæt barer.

"Vi demonstrerer billeddannelse i to forskellige dybder, uden mekanisk bevægelse, "Siger Shalaginov.

Eksperimenterne viser, at metalere aktivt kan ændre fokus uden mekaniske bevægelser. Forskerne siger, at en metaller potentielt kan fremstilles med integrerede mikrovarmer for hurtigt at opvarme materialet med korte millisekundspulser. Ved at variere opvarmningsforholdene, de kan også stille ind på andet materiales mellemliggende tilstande, muliggør kontinuerlig fokusering.

"Det er som at lave en bøf - man starter fra en rå bøf, og kan gå op til godt gået, eller kunne gøre medium sjælden, og alt andet imellem, "Siger Shalaginov." I fremtiden vil denne unikke platform give os mulighed for vilkårligt at kontrollere brændvidden af ​​metalerne. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.