Science >> Wetenschap >  >> Fysica

3D-geprinte meerlaagse structuren voor achromatische lenzen met een hoge numerieke opening

Achromatische prestaties van verschillende enkele lenzen en meerlaagse lenzen. (A) Schematische weergave van de 3D-geprinte meerlaagse achromatische metalens (MAM) van de ontwerper. (B) Schematische weergave van traditionele en platte optische lenzen [inclusief Fresnel-lens, diffractieve lens met meerdere niveaus (MDL) en metalens] met enkele lagen en meerlagen. (C) Evolutie van brandpunten bij golflengten van 400, 533 en 800 nm wanneer extra lagen worden toegevoegd (resultaten zijn afkomstig van een geoptimaliseerd drielaags ontwerp van 0,5-NA MAM). (D) De efficiëntie, numerieke openingen en bandbreedtes (werkt in de zichtbare band) van verschillende achromatische metalenses. De kleurenbalk en de markeringsgrootte vertegenwoordigen het getal of de waarde gedefinieerd als de vierkantswortel van de som van de kwadraten van efficiëntie, NA en bandbreedte. De grijze vlakken geven eerdere limieten aan bij bandbreedte =300 nm en NA =0,35. De NA-waarden van elke metalen worden geïllustreerd in de legenda. Credit:Wetenschappelijke vooruitgang , doi:10.1126/sciadv.adj9262

Platte optica is gemaakt van nanostructuren die materialen met een hoge brekingsindex bevatten om lenzen te produceren met dunne vormfactoren die alleen bij specifieke golflengten functioneren.



Materiaalwetenschappers hebben onlangs geprobeerd achromatische lenzen te ontwikkelen om een ​​afweging te maken tussen de numerieke apertuur en de bandbreedte die de prestaties van dergelijke materialen beperkt. In dit werk stelden Cheng-Feng Pan en een team van wetenschappers op het gebied van technische productontwikkeling, informatietechnologie en computertechniek in Singapore en China een nieuwe aanpak voor voor het ontwerpen van hoge numerieke apertuur-, breedband- en polarisatie-ongevoelige meerlaagse achromatische metalenses. P>

De materiaalwetenschappers combineerden topologie-optimalisatie en volledige golflengtesimulaties om de metalensen omgekeerd te ontwerpen met behulp van twee-fotonenlithografie. Het onderzoeksteam demonstreerde de breedbandbeeldprestaties van de kunstmatige structuren onder wit licht en rode, groene en blauwe smalbandverlichting.

De resultaten benadrukten het vermogen van de 3D-geprinte meerlaagse structuren om breedband- en multifunctionele meta-apparaten te realiseren. De uitkomsten worden nu gepubliceerd op Science Advances en staan ​​op de voorpagina van het tijdschrift.

Beeldprestaties

Recente vooruitgang op het gebied van metalenses op micro- en macroschaal heeft aangetoond dat het van belang is om opmerkelijke beeldprestaties te bereiken die geschikt zijn voor een verscheidenheid aan toepassingen op het gebied van lichtveldbeeldvorming, bioanalyse, geneeskunde en kwantumtechnologieën. Achromatische lenzen tonen bijvoorbeeld breedbandreacties om kleurinformatie vast te leggen, om de ontwerpmogelijkheden en toepassingsscenario's voor fotonische apparaten uit te breiden.

Dergelijke constructies zijn ultracompact, ultradun, lichtgewicht en zeer geschikt om overtuigende metalenses te maken voor beeldvormingssystemen. De meeste metalens zijn echter voorzien van materialen met een hoge brekingsindex om een ​​goede optische controle te bieden, met een sterk licht dat de implementatie van breedband een uitdaging maakt.

Natuurkundigen hebben het Abbe-getal getoond als een verdienste in lensontwerp om een ​​dispersievrij transparant materiaal weer te geven dat gewoonlijk wordt gebruikt voor materialen met een hoge brekingsindex, en als formule om een ​​focusseringslens met hoge efficiëntie te realiseren.

Topologische optimalisatie van de MAM met ander laagnummer en afstandsafstand. (A) Ontwerpmodel en schema van het optimalisatiegebied met aangegeven parameters die in de tekst worden beschreven. (B) Relaties van de genormaliseerde intensiteit met het laagnummer en de afstandsafstand. Met het omgekeerde ontwerp bevindt het beste geval zich op [l, sp] =[3, 1,6 μm]. (C) Schematische weergave van de benaderingen van de randafronding en de gladheid van het oppervlak op verschillende niveaus, aanvankelijk ontwerp (i), niveau 1 door de bovenkant af te ronden (ii). Niveau 2 wordt gegenereerd door toepassing van relatieve tolerantie-interpolatie van 10 nm op de oorspronghoogtevector (iii), en niveau 3 wordt gegenereerd door toepassing van relatieve interpolatie van 25 nm (iv). (D) Berekende FWHM (i), efficiëntie (ii) en positie van maximale focusintensiteit langs de voortplantingsas (iii) voor verschillende niveaus. De efficiëntie (ii) wordt berekend op het brandpuntsvlak dat overeenkomt met de maximale brandpuntsintensiteit. (E) Gekantelde SEM-afbeeldingen van de gefabriceerde MAM met 0,5 NA:(i) gedeconstrueerde MAM met enkele, dubbele en drievoudige (volledige) lagen; (ii) vergrote weergave van volledige MAM; (iii) bovenaanzicht en grootte van de MAM; en (iv en v) doorgesneden MAM die de interne structuur en details van de 200 nm brede ringstructuren onthult. Credit:Wetenschappelijke vooruitgang , doi:10.1126/sciadv.adj9262

De 3D-printmethode

Het onderzoeksteam heeft de fabricageproblemen die ten grondslag liggen aan meerlaagse achromatische metalenses opgelost door gebruik te maken van driedimensionaal printen. De 3D-printmethode op nanoschaal maakte het mogelijk om in één lithografische stap een patroon te vormen van een meerlaagse lens om snel complexe structuren te prototypen. Met behulp van twee-fotonenpolymerisatie realiseerden de wetenschappers een verscheidenheid aan 3D-ontwerpen, waaronder complexe microlenzen, gradiëntindexlenzen en diffractieve lenzen.

In dit werk gebruikten Pan en collega's topologie-optimalisatie om achromatisch lensgedrag te bereiken. Ze bereikten snel een stabiele, meerlaagse structuur met hoge resolutie.

De resulterende meerlaagse achromatische metalenses vertoonden tot nu toe onbekende niveaus van efficiënte prestaties om de voordelen van 3D-printen met hoge resolutie op nanoschaal te integreren om metalenses te creëren met uitzonderlijke prestaties om een ​​nieuw paradigma te inspireren voor het ontwerpen en fabriceren van multifunctionele breedband optische elementen en apparaten.

Het ontwerpen van meerlaagse achromatische metalensen en de experimentele resultaten

Focussen op de efficiëntie en beeldprestaties van MAM. (A) Vergelijking van experimentele en gesimuleerde breedbandfocusseringsefficiënties voor MAM's met NA van 0,5 en 0,7 op hetzelfde brandpuntsvlak gedefinieerd door NA. (B) Vergelijking van experiment en gesimuleerde breedband-FWHM voor MAM's met NA van 0,5 en 0,7 in hetzelfde brandpuntsvlak gedefinieerd door NA. (C) Optische beelden van het getal "3" in groep 6, element 3 in het resolutiedoel van de USAF 1951, vastgelegd via de 0,5-NA MAM onder wit licht en toegepast blauw (450 nm), groen (532 nm) en rood (633). nm)-filters. Credit:Wetenschappelijke vooruitgang , doi:10.1126/sciadv.adj9262

Het belangrijkste verschil tussen metalen op meerdere niveaus en diffractieve lenzen met meerdere niveaus is de grootte van het kleinste kenmerk.

Hoewel de minimale objectgrootte bijvoorbeeld kan worden ontworpen om bij een specifieke dimensie te passen, zijn full-wave-simulaties vereist om rekening te houden met interacties tussen de lagen en verstrooiing. Door filter- en binarisatiestappen te gebruiken, veranderden de onderzoekers de ontworpen structuur in een echte constructie.

Het team onderwierp de monsters aan topologie-optimalisatie en vormde ze met behulp van het fotonische professionele 3D-printsysteem van Nanoscale GmbH, met een galvo-gescande gefocusseerde straal om verknoping van een vloeibare hars tot een vaste voxel op nanoschaal op het brandpunt te induceren.

De wetenschappers optimaliseerden de fabricagemethode om een ​​prototype te bereiken dat dicht bij het normale ontwerp lag en beoordeelden de beeldkwaliteit van het product door het op een resolutiedoel te plaatsen met een afstand van driemaal de brandpuntsafstand tot de doelstellingen.

De technische metalens presteerden goed onder wit licht voor achromatische beeldvormingstoepassingen om het ongeëvenaarde vermogen van de metalensen om chromatische aberraties te verwijderen aan te tonen. De wetenschappers optimaliseerden de parameters om te laten zien hoe de meerlaagse achromatische metalensen een hoge focusseringsefficiëntie vertoonden met breedbandprestaties en topologische optimalisatie om de ontworpen metalensen met kenmerken op nanoschaal nauwkeurig te realiseren.

Vooruitzichten

Op deze manier ontwikkelden Cheng-Feng Pan en het onderzoeksteam een ​​meerlaags metalensysteem en beschouwden elke laag als een achromatische corrector en focusseringselement. De resultaten lieten zien hoe de gestapelde metasurfaces die zijn gebaseerd op materialen met een lage brekingsindex de grenzen van enkellaagse platte optica overwonnen om de prestaties van de metalenses uit te breiden naar breedbandfuncties met behoud van de hoge numerieke apertuur.

Het gebruik van 3D-printmethoden met hogere resolutie en harsen met een hoge brekingsindex zal bijdragen aan een groter, multifunctioneel optisch systeem dat functioneert met een breedbandresponsbereik buiten het zichtbare bereik om een ​​nabij- of midden-infraroodbereik te bevatten.

Meer informatie: Cheng-Feng Pan et al, 3D-geprinte meerlaagse structuren voor achromatische metalenses met hoge numerieke opening, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj9262

Ren Jie Lin et al, Achromatische metalens-array voor full-colour lichtveldbeeldvorming, Natuurnanotechnologie (2019). DOI:10.1038/s41565-018-0347-0

Journaalinformatie: Natuurnanotechnologie , Wetenschappelijke vooruitgang

© 2023 Science X Netwerk




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Brandende chili houdt olifanten op afstand, nieuwe studie vondsten
  2. Hoe deelbaar door uit te drukken in Excel
  3. Vertrouwen op GPS voorkomt dat delen van uw hersenen worden geactiveerd
  4. Een litteken of geen litteken bij het weerstaan ​​van lintwormen:dat is de (evolutionaire) vraag
  5. Hoe is zuurstof belangrijk voor de afgifte van energie in de celademhaling?
  6. Nieuwe bevindingen over vruchtbaarheid:sperma kan zich aanpassen aan seksueel overdraagbare microben
  7. Wetenschappers vinden antarctische microben die alleen van lucht leven
  8. Waarom het de menselijke natuur is om onze instincten te negeren
  9. Nieuwe mutaties in iPS-cellen zijn voornamelijk geconcentreerd in niet-transcriptionele regio's

Wetenschap