Kun je je voorstellen dat je op een dag een telescoop zo dun als een vel papier gebruikt, of een veel kleinere en lichtere high-performance camera? Of niet meer die camerabobbel achter je smartphone?

In een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie , onderzoekers van de Universiteit van Ottawa hebben een nieuw optisch element voorgesteld dat deze ideeën werkelijkheid kan maken door optische apparaten drastisch te verkleinen, mogelijk van invloed zijn op veel van de toepassingen in ons leven.

Voor meer informatie over dit project, we spraken met hoofdauteur Dr. Orad Reshef, een senior postdoctoraal onderzoeker in de Robert Boyd Group, en onderzoeksleider Dr. Jeff Lundeen, wie is de Canada Research Chair in Quantum Photonics, Universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Ottawa, en hoofd van het Lundeen Lab.

Kun je het nieuwe optische element beschrijven dat je team heeft ontwikkeld, de ruimteplaat?

Orad Reshef:Licht "spreidt zich" natuurlijk uit tijdens het reizen, en elk optisch apparaat dat we kennen, vertrouwt op deze verspreiding; we zouden niet weten hoe we camera's moesten ontwerpen zonder. Bijvoorbeeld, in elke telescoop, er is een grote opening tussen het oculair en de objectieflens om het licht de ruimte te geven om zich te verspreiden.

Een spaceplate simuleert dezelfde verspreiding die licht zou ervaren als het een grote afstand aflegt in een klein apparaat. Aansteken, een spaceplate lijkt meer ruimte dan hij inneemt. Op een manier, de spaceplate is een tegenhanger van de lens, dingen doen die de lens niet kan om hele beeldsystemen te verkleinen.

We introduceerden het idee van een spaceplate in onze paper, experimenteel demonstreren en aantonen dat het compatibel is met breedbandlicht in het zichtbare spectrum dat we gebruiken om te zien.

Jeff Lundeen:We hebben overwogen wat er zou gebeuren als je licht zou manipuleren op basis van de hoek in plaats van de positie van een lichtstraal. Lenzen werken via de positie van de straal. Angle is een volledig nieuw domein, en niemand had aangetoond dat het kon worden gebruikt om iets bijzonder nuttigs te maken. We hebben een nuttige toepassing gevonden, ruimte comprimeren. En toen lieten we zien dat we platen konden ontwerpen en experimenteel kunnen demonstreren die precies dat doen.

Orad Reshef:Dit is opwindend omdat dit apparaat ons in staat zal stellen allerlei zeer grote apparaten te verkleinen waarvan we dachten dat ze onmogelijk te miniaturiseren waren in optica. Om het te ontwerpen, we moeten een nieuwe reeks regels bedenken die onverenigbaar zijn met de regels die worden gebruikt bij het ontwerpen van lenzen. Niemand weet wat ze zijn, het is net het wilde westen.

Hoe kwam je op dit idee?

Jeff Lundeen:Orad Reshef is een expert in het gebruik van nanotechnologie voor het manipuleren van een straal op basis van zijn positie (bijv. algemener, meta-oppervlakken). We bespraken terloops de beperkingen van het manipuleren van licht met deze meta-oppervlakken en ik zei dat het cool zou zijn om in plaats daarvan licht te manipuleren op basis van zijn hoek.

Dr. Reshef had er onmiddellijk vertrouwen in dat hij iets kon ontwerpen en fabriceren dat dat zou kunnen doen en ik concludeerde vervolgens dat het gemakkelijkste doel zou zijn om de ruimte die nodig is voor verspreiding te vervangen (d.w.z. voortplanting).

In de loop van de komende maanden zal in gesprekken met Dr. Boyd en Dr. Reshef, we realiseerden ons langzaam hoe geweldig en nuttig zo'n apparaat zou zijn. Zowel Dr. Reshef als ik kwamen met haalbare en totaal verschillende ontwerpen, waaruit bleek dat er veel manieren waren om zo'n apparaat te maken. We hebben er drie in onze krant bestudeerd, maar er komen er nog meer.

Hoe zou deze technologie kunnen worden gebruikt? Wat zijn de toepassingen van de spaceplate in ons dagelijks leven?

Orad Reshef:Een spaceplate kan worden gebruikt om veel optische systemen te miniaturiseren, of het nu een display of een sensor is. Bijvoorbeeld, een geavanceerde spaceplate kan flinterdunne telescopen of camera's mogelijk maken; het kan worden gebruikt om de camerabult op de achterkant van uw smartphone te verwijderen.

Jeff Lundeen:Mensen sjouwen met grote camera's met enorme telelenzen. Als we de prestaties van de spaceplate voldoende kunnen verbeteren, Ik zie de mogelijkheid om kleinere, lichtere camera's met veel betere prestaties. Vooral, de spaceplate in combinatie met metalenses zou ons in staat stellen om het hele achteroppervlak te maken van, zeggen, een iPhone Max, in een platte en dunne camera. Het zou maar liefst 14 keer betere resolutie en prestaties bij weinig licht hebben dan die grote en zware camera's.

Dunne en kleine camera's zouden nuttig zijn in een breed scala aan toepassingen, ook in de gezondheidszorg waar camerapillen of endoscopen in slagaders of het spijsverteringsstelsel kunnen kijken.

Wat zijn de volgende stappen?

Orad Reshef:We werken hard aan de ontwikkeling van de volgende generatie van deze technologie. We willen proberen de compressiefactor te verhogen en de algehele prestaties te verbeteren. We hebben al enkele ontwerpen om de compressiefactor te verhogen van vijf tot meer dan 100 keer, en om de totale transmissie te verhogen. Om dit te blijven doen, we moeten met een volledig nieuw ontwerpparadigma komen.

Nog laatste gedachten?

Orad Reshef:Het is verrassend dat optische elementen zoals lenzen al een millennium bestaan ​​en dat hun ontwerpregels al meer dan 400 jaar goed worden begrepen, en toch ontdekken we nog steeds zulke fundamentele nieuwe optische elementen voor beeldvorming.

Het artikel Een optiek om de ruimte te vervangen en de toepassing ervan op ultradunne beeldvormingssystemen is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .