3D-printede flerlagsstrukturer til akromatiske linser med høj numerisk blænde
Flad optik er lavet af nanostrukturer indeholdende materialer med højt brydningsindeks for at producere linser med tynde formfaktorer, der kun fungerer ved specifikke bølgelængder.
Materialeforskere har for nylig forsøgt at opnå akromatiske linser for at afdække en afvejning mellem den numeriske blænde og båndbredden, der begrænser sådanne materialers ydeevne. I dette arbejde foreslog Cheng-Feng Pan og et team af forskere inden for teknisk produktudvikling, informationsteknologi og computerteknik i Singapore og Kina en ny tilgang til at designe høj numerisk blændeåbning, bredbånd og polarisationsufølsomme flerlags akromatiske metalenses.
Materialeforskerne kombinerede topologioptimering og fuld bølgelængdesimuleringer for at omvendt designe metalenserne ved hjælp af to-foton litografi. Forskerholdet demonstrerede bredbåndsbilleddannelsen af de konstruerede strukturer under hvidt lys og rødt, grønt og blåt smalbåndsbelysning.
Resultaterne fremhævede kapaciteten af de 3D-printede flerlagsstrukturer til at realisere bredbånd og multifunktionelle meta-enheder. Resultaterne er nu offentliggjort på Science Advances og er omtalt på forsiden af tidsskriftet.
Billedbehandling
Nylige fremskridt inden for metalenses på mikro- og makro-skala har vist betydning for at opnå bemærkelsesværdig billeddannelsesydelse, der er velegnet til en række anvendelser på tværs af lysfeltsbilleddannelse, bioanalyse, medicin og kvanteteknologier. For eksempel viser akromatiske linser bredbåndsresponser for at fange farveinformation, for at udvide designmulighederne og anvendelsesscenarier for fotoniske enheder.
Sådanne konstruktioner er ultrakompakte, ultratynde, lette og velegnede til at lave overbevisende metalenses til billeddannelsessystemer. De fleste metalenses er dog mønstret i materialer med højt brydningsindeks for at give god optisk kontrol med et stærkt lys, der gør bredbåndsimplementering udfordrende.
Fysikere har vist Abbe-tallet som en værdi i linsedesign til at repræsentere et spredningsfrit gennemsigtigt materiale, der almindeligvis bruges til materialer med højt brydningsindeks, og som en formel til at realisere en højeffektiv fokuseringslinse.
3D-printmetoden
Forskerholdet løftede fremstillingsudfordringerne bag flerlags akromatiske metalenser ved at bruge tredimensionel udskrivning. Nanoskala 3D-printmetoden tillod mønstret af en flerlagslinse i et litografisk trin for hurtigt at prototype komplekse strukturer. Ved hjælp af to-foton polymerisation realiserede forskerne en række forskellige 3D-designs, herunder komplekse mikrolinser, gradientindekslinser og diffraktive linser.
I dette arbejde brugte Pan og kolleger topologioptimering for at opnå akromatisk linseadfærd. De opnåede hurtigt en stabil struktur med flere lag og høj opløsning.
De resulterende flerlags akromatiske metalenses viste hidtil ukendte niveauer af effektiv ydeevne for at integrere fordelene ved højopløsnings-3D-print i nanoskala for at skabe metalenses med exceptionel ydeevne for at inspirere et nyt paradigme til at designe og fremstille multifunktionelle bredbåndsoptiske elementer og enheder.
Design af flerlags akromatiske metalenses og de eksperimentelle resultater
Den primære forskel mellem multilevel metalens og multilevel diffraktive linser er størrelsen på den mindste funktion.
For eksempel, mens den minimale funktionsstørrelse kan designes til at passe til en specifik dimension, er fuldbølgesimuleringer påkrævet for at tage højde for interlagsinteraktioner og spredning. Ved at bruge filtrerings- og binariseringstrin forvandlede forskerne den designede struktur til en rigtig konstruktion.
Holdet udsatte prøverne for topologioptimering og dannede dem ved at bruge Nanoscale GmbH fotoniske professionelle 3D-printsystem med en galvo-scannet fokuseret stråle for at inducere tværbinding af en flydende harpiks til en fast voxel i nanoskala ved brændpunktet.
Forskerne optimerede fremstillingsmetoden for at opnå en prototype tæt på normalt design og vurderede produktets billedkvalitet ved at placere det på et opløsningsmål med en afstand på tre gange brændvidden til målene.
De konstruerede metalener klarede sig godt under hvidt lys til akromatisk billeddannelsesapplikationer for at vise metalens uovertrufne kapacitet til at fjerne kromatiske aberrationer. Forskerne optimerede parametrene for at vise, hvordan de flerlags akromatiske metalenses viste høj fokuseringseffektivitet med bredbåndsydelse og topologisk optimering for at realisere de designede metalenses med nanoskalafunktioner præcist.
Outlook
På denne måde udviklede Cheng-Feng Pan og forskerholdet et flerlags metalens-system og betragtede hvert lag som en akromatisk korrektor og fokuseringselement. Resultaterne viste, hvordan de stablede metaoverflader, der er baseret på materialer med lavt brydningsindeks, overvandt grænserne for flad enkeltlagsoptik for at udvide ydeevnen af metalenses til bredbåndsfunktioner og samtidig bevare den høje numeriske blænde.
Brugen af 3D-printmetoder med højere opløsning og harpikser med højt brydningsindeks vil bidrage til et øget, multifunktionelt optisk system, der fungerer med et bredbåndsresponsområde ud over det synlige område for at indeholde et nær- eller melleminfrarødt område.
Flere oplysninger: Cheng-Feng Pan et al., 3D-printede flerlagsstrukturer til akromatiske metalenses med høj numerisk blænde, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj9262
Ren Jie Lin et al., Achromatic metalens array for fuldfarve lysfeltsbilleddannelse, Nature Nanotechnology (2019). DOI:10.1038/s41565-018-0347-0
Journaloplysninger: Naturenanoteknologi , Videnskabelige fremskridt
© 2023 Science X Network
Varme artikler
-
Kugleform, hastighed bestemmer blodsprøjtmønstreBlodstænk er hydrodynamiske signaturer på voldelige forbrydelser, afslører ofte, hvornår en begivenhed fandt sted, og hvor gerningsmanden og offeret befandt sig, og forskere har arbejdet hen imod en b -
Forklaret:Hvorfor vanddråber hopper af væggeneEt billede, der viser vanddråbespringningen. Kredit:University of Warwick Forskere fra University of Warwick kan nu forklare, hvorfor nogle vanddråber hopper som en strandbold af overflader, uden -
Ny teknik til oprettelse af sammenfiltrede fotonstaterFotonstråler. Fotoet er taget med CCD-matrix. Kredit:Egor Kovlakov Medlemmer af det fysiske fakultet ved Lomonosov Moskva statsuniversitet har udarbejdet en ny teknik til at skabe sammenfiltrede f -
Anvendelse af matematik til at fremskynde forudsigelser for at fange fusionsenergiPPPL-forskere har lånt en teknik fra anvendt matematik til hurtigt at forudsige opførsel af fusionsplasma til en meget reduceret beregningsomkostning. Kredit:Elle Starkman/PPPL Office of Communication
- Clickety clack, lad os se tilbage:Skrivemaskiner vender tilbage
- Ny modellering vil kaste lys over politiske beslutningers effekt på migration fra havniveaustigning
- Forskere låser op for hemmeligheder om aromatiske molekylers interaktion med guld
- Grækenland skovbrande:Winds fan 2 nye flammer uden for Athen
- Stormjagere på Mars leder efter støvede hemmeligheder
- Kreative industrier kan være nøglen til økonomisk velstand i kyst- og landdistrikter