Lenstechnologieën zijn op alle schalen vooruitgegaan, van digitale camera's en hoge bandbreedte in glasvezel tot de LIGO-labinstrumenten. Nutsvoorzieningen, een nieuwe lenstechnologie die zou kunnen worden geproduceerd met behulp van standaard computerchiptechnologie is in opkomst en zou de omvangrijke lagen en complexe geometrieën van traditionele gebogen lenzen kunnen vervangen.

Platte lenzen, in tegenstelling tot hun traditionele tegenhangers, zijn relatief licht van gewicht, gebaseerd op optische nanomaterialen die bekend staan ​​als metasurfaces. Wanneer de subgolflengte-nanostructuren van een meta-oppervlak bepaalde herhaalde patronen vormen, ze bootsen de complexe krommingen na die licht breken, maar met minder massa en een verbeterd vermogen om licht te focussen met minder vervorming. Echter, de meeste van deze nanogestructureerde apparaten zijn statisch, wat hun functionaliteit beperkt.

Federico Capasso, een toegepast natuurkundige aan de Harvard University die pionierde met de metalens-technologie, en Daniël Lopez, groepsleider van nanofabricage en apparaten bij Argonne National Laboratory en een vroege ontwikkelaar van micro-elektromechanische systemen (MEMS), gebrainstormd over het toevoegen van bewegingsmogelijkheden zoals snel scannen en straalbesturing aan metalenses voor nieuwe toepassingen.

Capasso en Lopez ontwikkelden een apparaat dat mid-infrarood spectrum metalenses op MEMS integreert. De onderzoekers rapporteren deze week hun bevindingen in APL Fotonica , van AIP Publishing.

MEMS is een circuitgebaseerde technologie die micro-elektronica, zoals die gevonden worden in computerchips, en omvat mechanische microstructuren zoals actuatoren en tandwielen. Alomtegenwoordig in alles, van mobiele telefoons tot airbags, biosensing apparaten, apparaten en optica, MEMS worden vervaardigd met behulp van dezelfde technieken die worden gebruikt voor geïntegreerde schakelingen op typische computerchips.

"Een dichte integratie van duizenden individueel bestuurde lens-op-MEMS-apparaten op een enkele siliciumchip zou een ongekende mate van controle en manipulatie van het optische veld mogelijk maken, "Lopez zei.

De onderzoekers vormden de metasurface-lens met behulp van standaard fotolithografische technieken op een silicium-op-isolatorwafel met een 2 micron dikke bovenste apparaatlaag, een begraven oxidelaag van 200 nanometer, en een 600 micron dikke handgreeplaag. Vervolgens, ze plaatsten de platte lens op een MEMS-scanner, in wezen een microspiegel die licht afbuigt voor snelle optische padlengtemodulatie. Ze lijnden de lens uit met het centrale platform van de MEMS en bevestigden ze aan elkaar door kleine platina-patches af te zetten.

"Ons prototype van ons MEMS-geïntegreerde metasurface-lens kan elektrisch worden bestuurd om de hoekrotatie van een platte lens te variëren en kan het brandpunt enkele graden scannen, "zei Lopez. "Bovendien, deze proof-of-concept-integratie van metasurface-gebaseerde platte lenzen met MEMS-scanners kan worden uitgebreid tot het zichtbare en andere delen van het elektromagnetische spectrum, wat het potentieel voor toepassing in bredere velden impliceert, zoals op MEMS gebaseerde microscoopsystemen, holografische en projectiebeeldvorming, LIDAR (lichtdetectie en bereik) scanners en laserprinten."

Bij elektrostatisch aangedreven, het MEMS-platform regelt de hoek van de lens langs twee orthogonale assen, waardoor het scannen van het brandpunt van de platte lens met ongeveer 9 graden in elke richting mogelijk is. De onderzoekers schatten dat de focusefficiëntie ongeveer 85 procent is.

"Dergelijke metalenses kunnen in massa worden geproduceerd met dezelfde computerchipfabricagetechnologie en in de toekomst, zal conventionele lenzen vervangen in een breed scala aan toepassingen, ' zei Capasso.