Metalens opnår næsten ens numerisk blændeåbning

Forskere har designet en optisk linse med den højeste numeriske blændeåbning med ledig plads til dato, opnår en værdi på lige under 1. Da den numeriske blænde indikerer den højest mulige opløsning, som et objektiv kan opnå, den nye linse kan fokusere lys med hidtil uset evne, samt opsamle lys fra vide vinkler. Disse egenskaber skulle gøre objektivet særligt anvendeligt til applikationer med svagt lys, såsom enkelt-foton emission, som ofte bruges i kvanteoptiksystemer.

Forskerne, ledet af Arseniy Kuznetsov og Ramón Paniagua-Domínguez, hos A*STAR (Agency for Science, Teknologi, og forskning) og Nanyang Technological University, både i Singapore, har udgivet et papir om objektivet med næsten ens numerisk blænde i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

Tidligere, den højeste numeriske blænde for et objektiv med fri plads var 0,95, hvilket svarer til en maksimal opsamlingsvinkel på omkring 72°. På grund af den måde, disse linser er lavet, de er også store og dyre, og kan derfor ikke nemt nedskaleres til at arbejde med meget små systemer.

Med sin numeriske blænde på 0,99, det nye objektiv har både en højere opløsning og en større opsamlingsvinkel på 82°. Den nye linse er lavet af en metasurface frem for traditionelle linsematerialer. Metaoverfladen består af et mønster af strukturer i subbølgelængdeskalaen og har en samlet tykkelse på mindre end en bølgelængde af lys, resulterer i en lille størrelse, der i høj grad udvider dens potentielle anvendelser.

"Linser/mikroskopobjektiver med høj numerisk blænde er vigtige optiske komponenter, der er meget udbredt i mikroskopi, optiske detektionssystemer, optisk litografi, kvanteoptik, etc., " fortalte Kuznetsov Phys.org . "At have en høj numerisk blænde er af primær betydning for at opnå en høj opløsning og et højt detektionsniveau af optiske signaler. I øjeblikket er eksisterende linser/mikroskopobjektiver med høj numerisk blænde omfangsrige og dyre. I dette arbejde, vi viste det, ved hjælp af et nyt koncept af metasurfaces baseret på dielektriske nanoantenner, det er muligt at designe og realisere flade optiske komponenter, der kan opnå en numerisk blænde, der er højere end alle eksisterende optiske mål, kun ved at bruge en enhed, der kun er et par hundrede nanometer tyk."

For at demonstrere fordelene ved det nye objektiv, forskerne brugte det til at afbilde nitrogen-ledige centre i diamant nanokrystaller, som er flere tiere nanometer store. Billederne scannet af de nye metalens afslørede mindre pletter sammenlignet med billeder scannet med kommercielle linser med mindre numeriske blændeåbninger, demonstrerer det nye objektivs højere opløsning.

Forskerne forventer, at i fremtiden, den nye linse kan også bruges til at lave forbedringer af fotolitografi, som bruges til at producere computerchips og andre højopløselige enheder. Ud over, det nye objektivs vidvinkelkollektion forventes at øge effektiviteten af ​​enkeltfoton-emissionsprocesser, som bruges i kvanteoptiksystemer.

"Vi tror på, at dette nye koncept vil finde brede anvendelser i områder, hvor detektion af svage optiske signaler er vigtigt, " sagde Kuznetsov. "Et eksempel er i kvanteoptik, som omhandler systemer, der kun indeholder enkelte atomer eller kvanteemittere, der udsender lys på enkeltfotonniveau. Sådanne flade linser tillader ikke kun detektering af svage optiske signaler, men kan også fungere under ekstreme forhold med lave temperaturer og i vakuum, hvilket er typisk for kvanteoptikeksperimenter.

"En anden vigtig applikationsretning kunne være i bærbare og mobile fotoniske enheder, hvor tæt integration af højeffektive optiske komponenter er påkrævet. For eksempel, linserne kunne finde applikationer i mobiltelefonkameraer og augmented reality-briller."

© 2018 Phys.org