Onderzoekers hebben een optische lens ontworpen met de grootste numerieke apertuur in de vrije ruimte tot nu toe, het bereiken van een waarde van net onder 1. Aangezien de numerieke opening de hoogst mogelijke resolutie aangeeft die een lens kan bereiken, de nieuwe lens kan licht focussen met ongekend vermogen, evenals het verzamelen van licht vanuit brede hoeken. Deze mogelijkheden zouden de lens bijzonder nuttig moeten maken voor toepassingen bij weinig licht, zoals emissie van één foton, die vaak wordt gebruikt in kwantumoptica-systemen.

De onderzoekers, onder leiding van Arseniy Kuznetsov en Ramón Paniagua-Dominguez, bij A*STAR (Agentschap voor Wetenschap, Technologie, en onderzoek) en de Nanyang Technological University, zowel in Singapore, hebben een artikel gepubliceerd over de lens met bijna-eenheid numerieke diafragma in een recent nummer van Nano-letters .

Eerder, de hoogste numerieke apertuur voor een lens met vrije ruimte was 0,95, wat overeenkomt met een maximale opvanghoek van ongeveer 72°. Door de manier waarop deze lenzen zijn gemaakt, ze zijn ook groot en duur, en kan dus niet eenvoudig worden verkleind om met zeer kleine systemen te werken.

Met zijn numerieke apertuur van 0,99, de nieuwe lens heeft zowel een hogere resolutie als een grotere opvanghoek van 82°. De nieuwe lens is gemaakt van een meta-oppervlak in plaats van traditionele lensmaterialen. Het meta-oppervlak bestaat uit een patroon van subgolflengteschaalstructuren en heeft een totale dikte van minder dan één golflengte van licht, wat resulteert in een klein formaat dat de potentiële toepassingen aanzienlijk uitbreidt.

"Lenzen met een hoog numeriek diafragma / microscoopobjectieven zijn belangrijke optische componenten die veel worden gebruikt in microscopie, optische opsporingssystemen, optische lithografie, kwantum optica, enzovoort., " vertelde Kuznetsov Phys.org . "Het hebben van een hoge numerieke apertuur is van primair belang voor het bereiken van een hoge resolutie en een hoog detectieniveau van optische signalen. Momenteel zijn bestaande lenzen/microscoopobjectieven met een hoog numeriek diafragma omvangrijk en duur. In dit werk, dat hebben we laten zien, met behulp van een nieuw concept van meta-oppervlakken op basis van diëlektrische nanoantennes, het is mogelijk om platte optische componenten te ontwerpen en te realiseren die een numerieke apertuur kunnen bereiken die hoger is dan alle bestaande optische objectieven, met slechts een apparaat van slechts een paar honderd nanometer dik."

Om de voordelen van de nieuwe lens te demonstreren, gebruikten de onderzoekers het om stikstof-leegstandscentra in diamantnanokristallen in beeld te brengen, die enkele tientallen nanometers groot zijn. De afbeeldingen die door de nieuwe metalens werden gescand, onthulden kleinere vlekken in vergelijking met afbeeldingen die werden gescand met commerciële lenzen met kleinere numerieke openingen, demonstreert de hogere resolutie van de nieuwe lens.

De onderzoekers verwachten dat in de toekomst, de nieuwe lens kan ook worden gebruikt om verbeteringen aan te brengen in de fotolithografie, die wordt gebruikt om computerchips en andere apparaten met een hoge resolutie te produceren. In aanvulling, de groothoekcollectie van de nieuwe lens zal naar verwachting de efficiëntie van emissieprocessen met één foton verhogen, die worden gebruikt in kwantumoptische systemen.

"Wij geloven dat dit nieuwe concept brede toepassingen zal vinden in gebieden waar detectie van zwakke optische signalen belangrijk is, " zei Kuznetsov. "Een voorbeeld is in kwantumoptica, die zich bezighoudt met systemen die alleen enkele atomen of kwantumstralers bevatten die licht uitzenden op het niveau van één foton. Dergelijke platte lenzen zorgen niet alleen voor de detectie van zwakke optische signalen, maar kan ook werken bij extreme omstandigheden van lage temperaturen en in vacuüm, wat typerend is voor experimenten met kwantumoptica.

"Een andere belangrijke toepassingsrichting zou kunnen zijn in draagbare en mobiele fotonische apparaten, waar dichte integratie van hoogrenderende optische componenten vereist is. Bijvoorbeeld, de lenzen kunnen toepassingen vinden in camera's van mobiele telefoons en augmented reality-brillen."

© 2018 Fys.org