Metalenses - platte oppervlakken die nanostructuren gebruiken om licht te focussen - beloven een revolutie teweeg te brengen in de optica door de omvangrijke, gebogen lenzen die momenteel worden gebruikt in optische apparaten met een eenvoudige, vlak oppervlak. Maar, deze metalenses zijn beperkt gebleven in het spectrum van licht dat ze goed kunnen focussen. Nu heeft een team van onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) de eerste enkele lens ontwikkeld die het volledige zichtbare spectrum van licht, inclusief wit licht, op dezelfde plek en in hoge resolutie kan focussen. Dit is bij conventionele lenzen alleen bereikt door meerdere lenzen te stapelen.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

Focussen op het hele zichtbare spectrum en wit licht - een combinatie van alle kleuren van het spectrum - is zo uitdagend omdat elke golflengte met verschillende snelheden door materialen beweegt. Rode golflengten, bijvoorbeeld, zal sneller door glas bewegen dan het blauw, dus de twee kleuren zullen dezelfde locatie op verschillende tijdstippen bereiken, wat resulteert in verschillende brandpunten. Hierdoor ontstaan ​​beeldvervormingen die bekend staan ​​als chromatische aberraties.

Camera's en optische instrumenten gebruiken meerdere gebogen lenzen van verschillende diktes en materialen om deze aberraties te corrigeren, die, natuurlijk, voegt toe aan het grootste deel van het apparaat.

"Metalenses hebben voordelen ten opzichte van traditionele lenzen, " zegt Federico Capasso, de Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering bij SEAS en senior auteur van het onderzoek. "Metalensen zijn dun, gemakkelijk te fabriceren en kostenbesparend. Deze doorbraak breidt die voordelen uit over het hele zichtbare lichtbereik. Dit is de volgende grote stap."

Het Harvard Office of Technology Development (OTD) heeft de intellectuele eigendom met betrekking tot dit project beschermd en onderzoekt de commercialiseringsmogelijkheden.

De metalenses ontwikkeld door Capasso en zijn team gebruiken arrays van titaniumdioxide-nanovinnen om de golflengten van licht gelijkmatig te focussen en chromatische aberratie te elimineren. Eerder onderzoek toonde aan dat verschillende golflengten van licht kunnen worden gefocust, maar op verschillende afstanden door de vorm te optimaliseren, breedte, afstand, en hoogte van de nanovinnen. In dit nieuwste ontwerp de onderzoekers creëerden eenheden van gepaarde nanovinnen die tegelijkertijd de snelheid van verschillende golflengten van licht regelen. De gepaarde nanovinnen regelen de brekingsindex op het meta-oppervlak en zijn afgestemd om te resulteren in verschillende tijdsvertragingen voor het licht dat door verschillende vinnen gaat, ervoor te zorgen dat alle golflengten tegelijkertijd het brandpunt bereiken.

"Een van de grootste uitdagingen bij het ontwerpen van een achromatische breedbandlens is ervoor te zorgen dat de uitgaande golflengten van alle verschillende punten van de metalens tegelijkertijd bij het brandpunt aankomen, " zei Wei Ting Chen, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en eerste auteur van het artikel. "Door twee nanovinnen in één element te combineren, we kunnen de lichtsnelheid afstemmen in het nanogestructureerde materiaal, om ervoor te zorgen dat alle golflengten in het zichtbare op dezelfde plek worden gefocust, met behulp van een enkele metalens. Dit vermindert de dikte en ontwerpcomplexiteit aanzienlijk in vergelijking met standaard achromatische composietlenzen."

"Met onze achromatische lens, we zijn in staat om hoge kwaliteit uit te voeren, wit licht beeldvorming. Dit brengt ons een stap dichter bij het doel om ze op te nemen in gewone optische apparaten zoals camera's, " zei Alexander Zhu, co-auteur van de studie.

Volgende, de onderzoekers willen de lens opschalen, tot ongeveer 1 cm in doorsnee. Dit zou een hele reeks nieuwe mogelijkheden openen, zoals toepassingen in virtual en augmented reality.