Forskere konstruerer en funktionel optisk linse ud af 2-D materialer

I optik, glaslinsers æra er muligvis ved at aftage.

I de seneste år, fysikere og ingeniører har designet, konstruere og teste forskellige typer ultratynde materialer, der kan erstatte de tykke glaslinser, der i dag bruges i kameraer og billeddannelsessystemer. Kritisk, disse konstruerede linser - kendt som metalenses - er ikke lavet af glas. I stedet, de består af materialer konstrueret i nanoskala til arrays af søjler eller finnlignende strukturer. Disse formationer kan interagere med indgående lys, at lede den mod et enkelt fokuspunkt til billeddannelse.

Men selvom metallinser er meget tyndere end glaslinser, de er stadig afhængige af strukturer med "højt formatforhold", hvor søjlen eller finnelignende strukturer er meget højere end de er brede, gør dem tilbøjelige til at falde sammen og vælte. Desuden, disse strukturer har altid været nær bølgelængden af ​​lys, de interagerer med i tykkelse - indtil nu.

I et papir, der blev offentliggjort den 8. oktober i tidsskriftet Nano bogstaver , et team fra University of Washington og National Tsing Hua University i Taiwan meddelte, at det har konstrueret funktionelle metallinser, der er en tiendedel til halvdelen tykkelsen af ​​lysets bølgelængder, som de fokuserer. Deres metallinser, som var konstrueret af lagdelt 2-D materialer, var så tynde som 190 nanometer - mindre end 1/100, Tusindedele af en tomme tyk.

"Det er første gang, at nogen har vist, at det er muligt at skabe et metal fra 2-D materialer, "sagde senior og medsvarende forfatter Arka Majumdar, en UW -adjunkt i fysik og i el- og computerteknik.

Deres designprincipper kan bruges til fremstilling af metallinser med mere komplekse, indstillelige funktioner, tilføjede Majumdar, som også er fakultetsforsker ved UW's Molecular Engineering &Sciences Institute.

Majumdars team har studeret designprincipperne for metalenses i årevis, og tidligere konstruerede metallinser til billedbehandling i fuld farve. Men udfordringen i dette projekt var at overvinde en iboende designbegrænsning i metalenses:for at et metalens materiale kan interagere med lys og opnå optimal billedkvalitet, materialet skulle have nogenlunde samme tykkelse som lysets bølgelængde i det materiale. I matematiske termer, denne begrænsning sikrer, at et fuldt nul til to-pi faseforskydningsområde kan opnås, hvilket garanterer, at ethvert optisk element kan designes. For eksempel, en metalens til en lysbølge på 500 nanometer-som i det visuelle spektrum er grønt lys-skulle have en tykkelse på cirka 500 nanometer, selvom denne tykkelse kan falde, når materialets brydningsindeks stiger.

Majumdar og hans team var i stand til at syntetisere funktionelle metalenser, der var meget tyndere end denne teoretiske grænse-en tiendedel til halvdelen af ​​bølgelængden. Først, de konstruerede metalerne ud af plader af lagdelt 2-D-materiale. Teamet brugte vidt undersøgte 2-D materialer såsom hexagonal bornitrid og molybdendisulfid. Et enkelt atomlag af disse materialer giver et meget lille faseskift, uegnet til effektiv linse. Så teamet brugte flere lag til at øge tykkelsen, selvom tykkelsen forblev for lille til at nå et fuldt to-pi faseskift.

"Vi måtte starte med at finde ud af, hvilken type design der ville give den bedste ydeevne i betragtning af den ufuldstændige fase, "sagde medforfatter Jiajiu Zheng, en doktorand i el- og computerteknik.

For at kompensere for manglen, teamet anvendte matematiske modeller, der oprindeligt var formuleret til flydende krystaloptik. Disse, i forbindelse med metalens strukturelle elementer, tillod forskerne at opnå høj effektivitet, selvom hele faseskiftet ikke er dækket. De testede metalernes effektivitet ved at bruge den til at tage forskellige testbilleder, herunder af Mona Lisa og et blokbogstav W. Teamet demonstrerede også, hvordan strækning af metalerne kunne justere objektivets brændvidde.

Ud over at opnå en helt ny tilgang til metalens design på rekordtynde niveauer, teamet mener, at dets eksperimenter viser løftet om at lave nye enheder til billeddannelse og optik helt ud af 2-D materialer.

"Disse resultater åbner op for en helt ny platform til undersøgelse af egenskaber ved 2-D-materialer, samt konstruktion af fuldt funktionelle nanofotoniske enheder, der udelukkende er fremstillet af disse materialer, "sagde Majumdar. Derudover, disse materialer kan let overføres på ethvert underlag, herunder fleksible materialer, baner en vej mod fleksibel fotonik.