Gepolijst glas staat al eeuwenlang centraal in beeldvormingssystemen. Door hun precieze kromming kunnen lenzen het licht focussen en scherpe beelden produceren, of het object in beeld een enkele cel is, de pagina van een boek, of een verre melkweg.

Het veranderen van de focus om duidelijk te zien op al deze schalen vereist meestal het fysiek verplaatsen van een lens, door te kantelen, glijden, of anderszins de lens verschuiven, meestal met behulp van mechanische onderdelen die bijdragen aan het grootste deel van microscopen en telescopen.

Nu hebben MIT-ingenieurs een afstembare "metalen" gefabriceerd die kan focussen op objecten op meerdere diepten, zonder veranderingen in zijn fysieke positie of vorm. De lens is niet gemaakt van massief glas maar van een transparant "faseveranderend" materiaal dat, na verwarming, kan zijn atomaire structuur herschikken en daardoor de manier veranderen waarop het materiaal met licht omgaat.

De onderzoekers etsten het oppervlak van het materiaal met kleine, nauwkeurig gevormde structuren die samenwerken als een "meta-oppervlak" om licht op unieke manieren te breken of te reflecteren. Naarmate de eigenschap van het materiaal verandert, de optische functie van het meta-oppervlak varieert dienovereenkomstig. In dit geval, wanneer het materiaal op kamertemperatuur is, het meta-oppervlak bundelt licht om een ​​scherp beeld te genereren van een object op een bepaalde afstand. Nadat het materiaal is verwarmd, de atomaire structuur verandert, en als antwoord, het meta-oppervlak leidt het licht om om te focussen op een verder weg gelegen object.

Op deze manier, de nieuwe actieve "metalens" kan zijn focus afstemmen zonder de noodzaak van omvangrijke mechanische elementen. Het nieuwe ontwerp, die momenteel beelden binnen de infraroodband, kunnen meer wendbare optische apparaten mogelijk maken, zoals miniatuur warmtekijkers voor drones, ultracompacte thermische camera's voor mobiele telefoons, en onopvallende nachtkijkers.

"Ons resultaat laat zien dat onze ultradunne afstembare lens, zonder bewegende delen, kan aberratievrije beeldvorming bereiken van overlappende objecten die op verschillende diepten zijn gepositioneerd, rivaliserende traditionele, omvangrijke optische systemen, " zegt Tian Gu, een onderzoekswetenschapper in het Materials Research Laboratory van MIT.

Gu en zijn collega's hebben hun resultaten vandaag in het tijdschrift gepubliceerd Natuurcommunicatie . Zijn co-auteurs zijn onder meer Juejun Hu, Michail Shalaginov, Yifei Zhang, Fan Yang, Peter Su, Carlos Rios, Qingyang Du, en Anuradha Agarwal aan het MIT; Vladimir Lieberman, Jeffrey Chou, en Christopher Roberts van MIT Lincoln Laboratory; en medewerkers aan de Universiteit van Massachusetts in Lowell, de Universiteit van Centraal-Florida, en Lockheed Martin Corporation.

Een materiële tweak

De nieuwe lens is gemaakt van een faseveranderend materiaal dat het team heeft gefabriceerd door een materiaal aan te passen dat vaak wordt gebruikt in herschrijfbare cd's en dvd's. GST genoemd, het omvat germanium, antimoon, en telluur, en de interne structuur verandert bij verhitting met laserpulsen. Hierdoor kan het materiaal schakelen tussen transparante en ondoorzichtige toestanden - het mechanisme waarmee gegevens die op cd's zijn opgeslagen, kunnen worden geschreven, weggevaagd, en herschreven.

Eerder dit jaar, de onderzoekers meldden het toevoegen van een ander element, selenium, aan GST om een ​​nieuw faseveranderend materiaal te maken:GSST. Toen ze het nieuwe materiaal verhitten, zijn atomaire structuur verschoof van een amorf, willekeurige wirwar van atomen tot een meer geordende, kristallijne structuur. Deze faseverschuiving veranderde ook de manier waarop infrarood licht door het materiaal reisde, die het brekend vermogen beïnvloeden, maar met een minimale impact op de transparantie.

Het team vroeg zich af of het schakelvermogen van GSST kan worden aangepast om licht op specifieke punten te richten en te focussen, afhankelijk van de fase. Het materiaal zou dan als actieve lens kunnen dienen, zonder dat mechanische onderdelen de focus hoeven te verleggen.

"In het algemeen, wanneer men een optisch apparaat maakt, het is een hele uitdaging om de kenmerken ervan na de fabricage af te stemmen, "zegt Shalaginov. "Daarom is het hebben van dit soort platform als een heilige graal voor optische ingenieurs, waarmee [de metalens] de focus efficiënt en over een groot bereik kunnen veranderen."

In de hete stoel

Bij conventionele lenzen, glas is precies gebogen zodat invallende lichtstraal onder verschillende hoeken van de lens wordt gebroken, convergeren op een punt op een bepaalde afstand, bekend als de brandpuntsafstand van de lens. De lenzen kunnen dan een scherp beeld produceren van alle objecten op die bepaalde afstand. Om objecten op een andere diepte af te beelden, de lens moet fysiek worden verplaatst.

In plaats van te vertrouwen op de vaste kromming van een materiaal om licht te richten, de onderzoekers wilden op GSST gebaseerde metalens zodanig aanpassen dat de brandpuntsafstand verandert met de fase van het materiaal.

In hun nieuwe studie ze fabriceerden een 1-micron dikke laag GSST en creëerden een "meta-oppervlak" door de GSST-laag te etsen in microscopische structuren van verschillende vormen die licht op verschillende manieren breken.

"Het is een geavanceerd proces om het meta-oppervlak te bouwen dat schakelt tussen verschillende functionaliteiten, en vereist oordeelkundige engineering van wat voor soort vormen en patronen te gebruiken, " zegt Gu. "Door te weten hoe het materiaal zich zal gedragen, we kunnen een specifiek patroon ontwerpen dat zich op een punt in de amorfe toestand zal concentreren, en naar een ander punt in de kristallijne fase gaan."

Ze testten de nieuwe metalens door het op een podium te plaatsen en het te verlichten met een laserstraal die is afgestemd op de infrarode lichtband. Op bepaalde afstanden voor de lens, ze plaatsten transparante objecten bestaande uit dubbelzijdige patronen van horizontale en verticale balken, bekend als resolutiegrafieken, die doorgaans worden gebruikt om optische systemen te testen.

De lens, in zijn begin, amorfe staat, produceerde een scherp beeld van het eerste patroon. Het team verwarmde vervolgens de lens om het materiaal om te zetten in een kristallijne fase. Na de overgang, en met de verwarmingsbron verwijderd, de lens produceerde een even scherp beeld, deze tijd van de tweede, verdere reeks staven.

"We demonstreren beeldvorming op twee verschillende diepten, zonder enige mechanische beweging, ', zegt Shalaginov.

De experimenten tonen aan dat een metalens de focus actief kan veranderen zonder mechanische bewegingen. De onderzoekers zeggen dat een metalens mogelijk kan worden gefabriceerd met geïntegreerde microverwarmers om het materiaal snel te verwarmen met pulsen van korte milliseconden. Door de verwarmingscondities te variëren, ze kunnen ook afstemmen op de tussentoestanden van ander materiaal, waardoor continue focale afstemming mogelijk is.

"Het is alsof je een biefstuk kookt - je begint met een rauwe biefstuk, en kan tot goed gedaan gaan, of kan medium rood doen, en al het andere daartussenin, " zegt Shalaginov. "In de toekomst zal dit unieke platform ons in staat stellen om de brandpuntsafstand van de metalens willekeurig te regelen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.