XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Что такое нанолинзы?

Классическая линза из пластика или стекла имеет изогнутую форму, которая изгибает путь падающего света к единственной фокусной точке на куске фотопленки или электронном датчике. Это связано с тем, что свет распространяется быстрее через более тонкое стекло по краям линзы, чем через более толстое стекло в центре.

Обычные камеры, независимо от того, используются ли они в смартфонах или для микроскопии, требуют фокусировки, чтобы обеспечить четкость деталей объекта. Если на разном расстоянии от камеры находится несколько объектов, каждый объект необходимо фокусировать отдельно. Кроме того, свет, пойманный на самых краях изогнутой стеклянной линзы, неправильно совмещается с остальным светом, создавая размытое изображение на краю кадра. Чтобы исправить это, в линзах используются дополнительные кусочки стекла, которые добавляют объем, сложность и массу. Обычные камеры также используют несколько линз для одновременной фокусировки разных цветов света.

В настоящее время исследователи разработали плоскую линзу, плоская форма которой позволяет ей обеспечивать изображение без искажений, потенциально с произвольно большой апертурой.[2] Этот термин также используется для обозначения других линз, которые обеспечивают отрицательный показатель преломления. Используя одну линзу толщиной около одной тысячной дюйма, исследователи создали камеру, не требующую фокусировки.[1] Исследователи также разработали плоскую металинзу со встроенной коррекцией хроматических аберраций 50, поэтому требуется одна линза. [3]

рис.1 Оптические микрофотографии изготовленной линзы[2]

Эта технология потенциально является революционной, поскольку она работает в видимом спектре, а это означает, что она способна заменить линзы во всех видах устройств: от микроскопов до камер, дисплеев и мобильных телефонов. Эта технология предлагает значительные преимущества по сравнению с традиционными камерами, такими как камеры большинства смартфонов, которым требуется несколько объективов для формирования высококачественных, сфокусированных изображений. Металинза позволит интегрировать системы широкополосной визуализации в очень компактной форме, что позволит создавать оптические подсистемы следующего поколения, эффективно решающие строгие проблемы веса, размера, мощности и стоимости, такие как те, которые требуется для высокопроизводительных носимых дисплеев AR/VR [дополненной/виртуальной реальности].

Федерико Капассо, профессор прикладной физики Роберта Л. Уоллеса и старший научный сотрудник Винтона Хейса в области электротехники, а также три партнера основали компанию под названием Metalens, ориентированную на приложения, которые не требуют ахроматических линз, например, для камер видеонаблюдения, биометрии, аутентификации и распознавание лица.

«Несмотря на то, что технология линз улучшилась, сделать компактный и тонкий объектив по-прежнему сложно. Но исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS) продемонстрировали первую плоскую (или плоскую) линзу, которая работает очень эффективно в непрерывном диапазоне цветов, от синего до зеленого. Эта полоса пропускания, близкая к полосе пропускания светодиода, открывает путь для новых приложений в области визуализации, спектроскопии и зондирования.

Длинноволновая инфракрасная визуализация (LWIR) относится к визуализации в диапазоне длин волн примерно от 8 пикометров до 12 микрометров и важна для различных приложений, от обороны, медицины и сельского хозяйства до

мониторинг окружающей среды. Для достижения высокой прозрачности обычным преломляющим линзам в диапазоне LWIR требуются такие материалы, как кремниевые, германиевые или халькогенидные стекла. Вес этих обычных линз может быть слишком большим для многих применений. Возросший вес ограничивает дальность действия беспилотных летательных аппаратов. Кроме того, такая оптика делает наголовные очки ночного видения тяжелыми и вызывает у солдат травмы шеи и головы, а также снижает их ситуационную осведомленность.

рис.2 Примеры изображений, снятых с помощью камер LWIR с объективом из плоской линзы. (A–C и E, G, I и K) Изображения сделаны с помощью объектива f = 19 мм, а (D) изображение сделано с f = 8 мм [2]

Исследователи из Университета Юты во главе с Монжурулом Мимом продемонстрировали, что при правильной разработке тонких многоуровневых дифракционных линз (MDL) они могут корректировать аберрации изображения, включая хроматические аберрации в диапазоне LWIR, и тем самым уменьшить вес таких линз более чем в 2 раза. на несколько порядков по сравнению с обычными преломляющими линзами. Кроме того, поскольку наши MDL очень тонкие,

то есть толщина ~λ0, расчетная длина волны и результирующие потери на поглощение невелики, мы можем использовать полимеры для материала линз, которые легче производить.

Технология плоских линз

Обычная преломляющая оптика состоит из изогнутых поверхностей и становится толще с увеличением разрешения. То есть, чтобы преломлять свет на большие углы, радиус кривизны должен быть уменьшен, а, следовательно, линза становится толще и тяжелее. Недавно металинзы были предложены как средство уменьшения толщины преломляющих линз. Металинзы состоят из составных частей, которые действуют как рассеивающие элементы (субволновой толщины), которые создают заданный локальный фазовый сдвиг света. при рассеянии. Плоские линзы требуют показателя преломления, близкого к ~ 1, в широком диапазоне углов. В плоских линзах используются метаматериалы, то есть электромагнитные структуры, созданные в субволновом масштабе для получения индивидуальных поляризационных реакций. Левосторонние реакции обычно реализуются с использованием резонансных метаматериалов, состоящих из периодических массивов элементарных ячеек, содержащих индуктивно-емкостные резонаторы и проводящие провода. Отрицательные показатели преломления, изотропные в двух и трех измерениях на микроволновых частотах, были достигнуты в резонансных метаматериалах с характеристиками сантиметрового масштаба. Метаматериалы могут отображать инфракрасные, видимые и, с недавних пор, ультрафиолетовые волны. В первой плоской линзе использовалась тонкая кремниевая пластина толщиной 60 нанометров, покрытая концентрическими кольцами v-образных золотых наноантенн для создания фотографических изображений. Антенны систематически располагались на кремниевая пластина и преломляет свет так, что весь он оказывается в одной фокальной плоскости, — это так называемый процесс искусственного преломления. Антенны были окружены непрозрачной серебряно-титановой маской, которая отражала весь свет, не попадавший на антенны. Варьирование длины и угла плеч обеспечивало необходимый диапазон амплитуд и фаз. Распределение колец контролирует фокусное расстояние. позже плоская линза изготавливается из сэндвича из чередующихся слоев серебра и диоксида титана нанометровой толщины. Он состоит из стопки сильно связанных плазмонных волноводов, поддерживающих обратные волны, и имеет отрицательный показатель преломления независимо от угла прохождения падающего света. Волноводы дают всенаправленный левый отклик на поперечную магнитную поляризацию. Передачу через метаматериал можно включать и выключать, используя высокочастотный свет в качестве переключателя, что позволяет линзе действовать как затвор без движущихся частей.[4] С развитием технологий микро- и нано производства продолжалась миниатюризация Обычные оптические линзы всегда востребованы для различных применений, таких как связь, датчики, хранение данных и широкий спектр других отраслей, ориентированных на технологии и потребителей. в частности, все меньшие размеры, а также меньшая толщина микролинз крайне необходимы для субволновой оптики или нанооптики с чрезвычайно маленькими структурами, особенно для приложений видимого и ближнего ИК-диапазона. Кроме того, поскольку масштаб расстояний для оптической связи сокращается, требуемые размеры микролинз быстро уменьшаются. Исследователи также использовали превосходные свойства оксида графена, чтобы найти новые решения для преодоления проблем, с которыми сталкиваются современные устройства планарной фокусировки. В частности, гигантская модификация показателя преломления (до 10 ^ -1), которая на порядок больше, чем у современных материалов, между оксидом графена (GO) и восстановленным оксидом графена (rGO) была продемонстрирована путем динамического управления содержанием кислорода в нем. методом прямой лазерной записи (DLW). В результате общая толщина линзы потенциально может быть уменьшена более чем в десять раз. Кроме того, обнаружено, что линейное оптическое поглощение GO увеличивается по мере углубления восстановления GO, что приводит к контрасту передачи между GO и rGO и, следовательно, обеспечивает механизм амплитудной модуляции. Более того, обнаружено, что как показатель преломления, так и оптическое поглощение не имеют дисперсии в широком диапазоне длин волн от видимого до ближнего инфракрасного диапазона. Наконец, пленка GO предлагает гибкие возможности нанесения рисунка за счет использования безмасочного метода DLW, что снижает сложность производства и снижает требования.

Список литературы:

1. M. Vollmer, K.-P. Möllmann, Infrared Thermal Imaging: Fundamentals, Research and Applications (Wiley, 2017).

2. A. Arbabi, Y. Horie, A. J. Ball, M. Bagheri, A. Faraon, Subwavelength-thick lenses with high numerical apertures and large efficiency based on high-contrast transmitarrays. Nat. Commun. 6, 7069 (2015).

3. P. Wang, N. Mohammad, R. Menon, Chromatic-aberration-corrected diffractive lenses for ultra-broadband focusing. Sci. Rep. 6, 21545 (2016).

4. S. Banerji, B. Sensale-Rodriguez, A computational design framework for efficient, fabrication error-tolerant, planar THz diffractive optical elements. Sci. Rep. 9, 5801 (2019).