Een ultradunne optische lens gemaakt van een monolaag van tweedimensionale overgangsmetaal dichalcogeniden (TMDC's) zou de weg kunnen banen voor beeldvormingsapparatuur van de volgende generatie. Een internationaal team van onderzoekers, geleid door Prof. Baohua Jia van de Swinburne University of Technology in Australië, gebruikte femtoseconde laserschrijven om nanodeeltjes op TMDC-kristallen te modelleren. De lens heeft een sub-golflengte resolutie en een driedimensionale focus efficiëntie van 31%, de basis leggen voor optische apparaten voor gebruik in nano-optica en on-chip fotonische toepassingen.

Lenzen zijn een van de meest gebruikte optische componenten in het dagelijks leven, inclusief brillen, microscopische objectieven, vergrootglas, en cameralenzen. Conventionele lenzen zijn gebaseerd op het principe van lichtbreking, verschillende materialen gebruiken, bolvormige oppervlakken en ruimtelijke posities om de controle van het licht te bereiken. De fabricage van conventionele lenzen inclusief de processen van materiaalkeuze, snijden, ruw slijpen, fijn malen, polijsten, en testen. Om de aberraties inclusief de chromatische aberratie te minimaliseren, sferische aberratie en astigmatisme, het is noodzakelijk om meerdere lagen lenzen op elkaar te stapelen om samengestelde lenzen te vormen, wat leidt tot de complexiteit en omslachtigheid van de huidige camera-apparatuur.

Daarom, enorme inspanning is besteed aan de ontwikkeling van ultradunne platte lenzen. In tegenstelling tot conventionele lenzen, platte lenzen gebruiken nanostructuren om licht te moduleren. Door de optische eigenschappen en de ruimtelijke positie van elk nano-element te controleren, geavanceerde functies, zoals achromatische en aberratievrije scherpstelling, hoge ruimtelijke resolutie en speciale focale intensiteitsverdelingen kunnen worden bereikt. Echter, wanneer de materiaaldikte wordt teruggebracht tot de subgolflengteschaal, de onvoldoende fase- of amplitudemodulatie op basis van de intrinsieke brekingsindex en absorptie van de materialen resulteert in slechte lensprestaties.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , een team van wetenschappers, onder leiding van Prof. Baohua Jia bij Center for Translational Atomaterials, Swinburne University of Technology, Australië, Prof. Qiaoliang Bao, voorheen aan de Monash University, Prof. Chengwei Qiu van de National University of Singapore en collega's hebben een innovatieve methode ontwikkeld om hoogwaardige lenzen te fabriceren in monolaag tweedimensionaal overgangsmetaal dichalcogenide (TMDC) materiaal door een femtoseconde laser te gebruiken om nanodeeltjes te modelleren. De lens heeft een sub-golflengte resolutie en een focus efficiëntie van 31%, de basis leggen voor uiterst dunne optische apparaten voor gebruik in nano-optica en on-chip fotonische toepassingen.

Hoewel lenzen gemaakt van meerlaagse TMDC's al eerder zijn aangetoond, wanneer hun dikte wordt teruggebracht tot de sub-nanometerschaal, hun onvoldoende fase- of amplitudemodulatie resulteert in focusseringsefficiënties van minder dan 1%. Het internationale team ontdekte dat het mogelijk is om nanodeeltjes te genereren door een femtoseconde laserstraal te gebruiken om te interageren met het monolaag TMDC-materiaal. die aanzienlijk verschilt van het proces dat wordt geproduceerd door een continue golflaser. Wanneer de laserpuls zo kort is dat het hele materiaal koud blijft na het laserproces, de nanodeeltjes kunnen zich stevig hechten aan het substraat. De nanodeeltjes vertonen een zeer sterke verstrooiing om de amplitude van licht te moduleren. Daarom, de lens gemaakt van de nanodeeltjes kan subgolflengteresolutie en hoge efficiëntie bieden, waarmee het team diffractie-beperkte beeldvorming kan demonstreren met behulp van de lenzen.

Een monolaag is de dunste vorm van een materiaal, wat de ultieme fysieke diktelimiet is. Door de monolaag te gebruiken voor de lensfabricage, het proces dat in deze studie werd aangetoond, verbruikte het minste materiaal dat aan de theoretische beperking voldeed. Belangrijker, de femtoseconde laserfabricagetechniek is een eenvoudig proces in één stap, zonder de eisen van hoog vacuüm of speciale omgeving, dus het biedt de eenvoudigste manier om een ​​ultradunne platte lens te fabriceren. Als resultaat, de lens kan eenvoudig worden geïntegreerd in alle fotonische of microfluïdische apparaten voor brede toepassingen.

"We hebben het dunste materiaal ter wereld gebruikt om een ​​platte lens te maken, en bewijzen dat de goede prestaties van de ultradunne lens kunnen leiden tot beeldvorming met hoge resolutie. Het toont een enorm potentieel in verschillende toepassingen, zoals brillen, microscopie lenzen, telescopen en cameralenzen. Het is te voorzien dat door het gebruik van deze techniek, het gewicht en de grootte van cameralenzen kunnen in de nabije toekomst aanzienlijk worden verminderd, " zei Dr. Han Lin, de eerste auteur van het Centre for Translational Atomaterials, Swinburne University of Technology.

"We zijn verheugd om dit unieke resultaat te zien van femtoseconde laserverwerking van 2D-materialen. Het opent nieuwe mogelijkheden voor het fabriceren van fotonische apparaten met behulp van een schaalbare methode, " toegevoegd door Prof. Baohua Jia, Directeur van het Centrum voor Translationele Atomaterialen.

"We kunnen de monolaag 2-D-materiaallens op gewenste apparaten integreren door het materiaal eenvoudig te bevestigen en vervolgens een femtoseconde laser te gebruiken om fabricage uit te voeren. Het hele proces is eenvoudig, en de methode is flexibel en goedkoop. Dus, we zien ook het grote toepassingspotentieel van de methode, " becommentarieerd door Prof. Qiaoliang Bao, voorheen aan de Monash University.

"We ontwerpen onze lens zo dat het beeld op verschillende brandpuntsvlakken te vinden is, met verschillende vergrotingen. Dit mechanisme kan gemakkelijk worden gebruikt om een ​​optische zoomlens te ontwikkelen voor gebruik in mobiele telefooncamera's. Momenteel, lenzen met verschillende brandpuntsafstanden worden gebruikt om verschillende zoomfuncties te bereiken. Echter, onze lenzen kunnen met één ontwerp verschillende zoomsnelheden bereiken, " concludeerde prof. Chengwei Qiu van de voorspellingen van de National University of Singapore.