Licht van verschillende kleuren reist met verschillende snelheden in verschillende materialen en structuren. Dit is de reden waarom we wit licht zien splitsen in zijn samenstellende kleuren nadat het door een prisma is gebroken, een fenomeen dat dispersie wordt genoemd. Een gewone lens kan door dispersie geen licht van verschillende kleuren op een enkele plek focussen. Dit betekent dat verschillende kleuren nooit tegelijkertijd in focus zijn, en dus is een beeld gevormd door zo'n eenvoudige lens onvermijdelijk wazig. Conventionele beeldvormingssystemen lossen dit probleem op door meerdere lenzen op elkaar te stapelen, maar deze oplossing gaat ten koste van een grotere complexiteit en gewicht.

Columbia Engineering-onderzoekers hebben de eerste platte lens gemaakt die in staat is om een ​​groot aantal kleuren van elke polarisatie correct op hetzelfde brandpunt te focussen zonder dat er extra elementen nodig zijn. Slechts een micron dik, hun revolutionaire "platte" lens is veel dunner dan een vel papier en biedt prestaties die vergelijkbaar zijn met hoogwaardige samengestelde lenssystemen. De bevindingen van het team, geleid door Nanfang Yu, universitair hoofddocent toegepaste natuurkunde, worden geschetst in een nieuwe studie, vandaag gepubliceerd door Licht:wetenschap en toepassingen .

Een conventionele lens werkt door al het licht dat erop valt langs verschillende paden te leiden, zodat de hele lichtgolf tegelijkertijd op het brandpunt aankomt. Het is gemaakt om dit te doen door een toenemende hoeveelheid vertraging aan het licht toe te voegen als het van de rand naar het midden van de lens gaat. Daarom is een conventionele lens in het midden dikker dan aan de rand.

Met als doel een verdunner uit te vinden, aansteker, en goedkopere lens, Yu's team pakte het anders aan. Gebruikmakend van hun expertise in optische "metasurfaces" - ontworpen tweedimensionale structuren - om de voortplanting van licht in de vrije ruimte te beheersen, de onderzoekers bouwden platte lenzen van pixels, of "meta-atomen." Elk meta-atoom heeft een grootte die slechts een fractie is van de golflengte van licht en vertraagt ​​het licht dat er doorheen gaat met een andere hoeveelheid. Door een zeer dunne, platte laag nanostructuren te modelleren op een substraat zo dun als een mensenhaar, de onderzoekers konden dezelfde functie bereiken als een veel dikker en zwaarder conventioneel lenssysteem. Kijkend naar de toekomst, ze verwachten dat de metalen lenzen omvangrijke lenssystemen zouden kunnen vervangen, vergelijkbaar met de manier waarop flatscreen-tv's kathodestraalbuis-tv's hebben vervangen.

"Het mooie van onze platte lens is dat door het gebruik van meta-atomen met complexe vormen, het zorgt niet alleen voor de juiste verdeling van de vertraging voor een enkele kleur licht, maar ook voor een continu lichtspectrum, " zegt Yu. "En omdat ze zo dun zijn, ze hebben het potentieel om de grootte en het gewicht van elk optisch instrument of apparaat dat wordt gebruikt voor beeldvorming drastisch te verminderen, zoals camera's, microscopen, telescopen, en zelfs onze bril. Denk aan een bril met een dikte die dunner is dan een vel papier, smartphonecamera's die niet uitpuilen, dunne stukjes beeld- en detectiesystemen voor zelfrijdende auto's en drones, en geminiaturiseerde hulpmiddelen voor medische beeldvormingstoepassingen."

Yu's team fabriceerde de metalen lenzen met behulp van standaard 2D vlakke fabricagetechnieken die vergelijkbaar zijn met die welke worden gebruikt voor het vervaardigen van computerchips. Ze zeggen dat het massaproductieproces van metalen lenzen een stuk eenvoudiger zou moeten zijn dan het produceren van computerchips. omdat ze slechts één laag nanostructuren hoeven te definiëren - in vergelijking moderne computerchips hebben meerdere lagen nodig, sommige wel 100. Het voordeel van de platte metalen lenzen is dat, in tegenstelling tot conventionele lenzen, ze hoeven niet de kostbare en tijdrovende slijp- en polijstprocessen te doorlopen.

"De productie van onze platte lenzen kan enorm worden geparallelliseerd, grote hoeveelheden hoogwaardige en goedkope lenzen opleveren, " merkt Sajan Shrestha op, een doctoraatsstudent in de groep van Yu die co-hoofdauteur van de studie was. "We kunnen daarom onze lensontwerpen naar halfgeleidergieterijen sturen voor massaproductie en profiteren van schaalvoordelen die inherent zijn aan de industrie."

Omdat de platte lens licht met golflengten variërend van 1,2 tot 1,7 micron in het nabij-infrarood tot hetzelfde brandpunt kan focussen, het kan "kleurrijke" beelden vormen in de nabij-infraroodband omdat alle kleuren tegelijkertijd scherp zijn - essentieel voor kleurenfotografie. De lens kan licht van elke willekeurige polarisatietoestand focussen, zodat het niet alleen in een laboratoriumomgeving werkt, waar de polarisatie goed kan worden gecontroleerd, maar ook in toepassingen in de echte wereld, waar omgevingslicht willekeurige polarisatie heeft. Het werkt ook voor doorvallend licht, handig voor integratie in een optisch systeem.

"Ons ontwerpalgoritme put alle vrijheidsgraden uit bij het vormgeven van een interface in een binair patroon, en, als resultaat, onze platte lenzen kunnen prestaties bereiken die de theoretische limiet benaderen die een enkele nanogestructureerde interface mogelijk kan bereiken, "Adam Overvig, de andere co-hoofdauteur van de studie en ook een doctoraatsstudent bij Yu, zegt. "In feite, we hebben een paar platte lenzen gedemonstreerd met de best theoretisch mogelijke gecombineerde eigenschappen:voor een gegeven metalen lensdiameter, we hebben het kleinste brandpunt bereikt over het grootste golflengtebereik."

Voegt University of Pennsylvania H. Nedwill Ramsey Professor Nader Engheta toe, een expert in nanofotonica en metamaterialen die niet betrokken was bij deze studie:"Dit is een elegant werk van de groep van professor Nanfang Yu en het is een opwindende ontwikkeling op het gebied van platte optica. Deze achromatische meta-lens, wat de state-of-the-art is op het gebied van engineering van meta-oppervlakken, kan deuren openen naar nieuwe innovaties in een diverse reeks toepassingen op het gebied van beeldvorming, voelen, en compactcameratechnologie."

Nu de metalen lenzen gebouwd door Yu en zijn collega's de prestaties van hoogwaardige beeldvormende lenzensets naderen, met veel kleiner gewicht en formaat, het team heeft nog een uitdaging:de efficiëntie van de lenzen verbeteren. De platte lenzen zijn momenteel niet optimaal omdat een klein deel van het invallende optische vermogen wordt gereflecteerd door de platte lens, of verspreid in ongewenste richtingen. Het team is optimistisch dat de kwestie van efficiëntie niet fundamenteel is, en ze zijn bezig met het bedenken van nieuwe ontwerpstrategieën om het efficiëntieprobleem aan te pakken. Ze zijn ook in gesprek met de industrie om de technologie verder te ontwikkelen en in licentie te geven.

De studie is getiteld "Breedband Achromatic Dielectric Metalenses."