science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Generatie van super-opgeloste optische naald en multifocale array met behulp van grafeenoxide metalenses

Fig. 1 Demonstratie van GO metalens en de karakterisering ervan. (a) Optische demonstratie voor optische naald gegenereerd door GO metalens. (b) Optische demonstratie voor vier axiale brandpunten gegenereerd door GO metalens. (c) Optisch beeld van GO metalens genomen door een optische microscoop met een objectief van × 20, NVT=0,5, de schaalbalk is 50 m. Credit: Opto-elektronische vooruitgang (2021). DOI:10.29026/oea.2021.200031

In een nieuwe publicatie van Opto-elektronische vooruitgang , onderzoekers onder leiding van professor Baohua Jia aan de Swinburne University of Technology, Victoria, Australië, Professor Cheng-Wei Qiu aan de Nationale Universiteit van Singapore, Singapore en professor Tian Lan aan het Beijing Institute of Technology, Peking, China overwoog de generatie van super-opgeloste optische naalden en multifocale arrays met behulp van grafeenoxide metalenses.

Ultradun en lichtgewicht, metalenses worden steeds belangrijker voor hun gebruik in fotonische chips, biosensoren en micro-beeldvormingssystemen zoals smartphonecamera's.

In vergelijking met conventionele lenzen, metalenses kunnen de beeldkwaliteit van huidige camera's verbeteren, door de resolutie te verbeteren en sferische en chromatische aberraties te verwijderen. Een enkel ultradun (minder dan de dikte van 1/100 van een mensenhaar) metalens-element kan worden gebruikt in plaats van de beeldvormingssystemen met meerdere elementen die vereist zijn voor conventionele lenzen. Vanwege de unieke interactie tussen licht en materie in een beperkt 2D-vlak, 2D-materialen zijn ideaal voor gebruik met metalenses, verdere vermindering van de vereiste dikte van de lens. 2D grafeen familie materialen, bijvoorbeeld grafeenoxiden, zijn luchtstabiel, hebben veel toepassingen en zijn goedkoop en gemakkelijk op grote schaal te fabriceren. Ze blijven stabiel in extreme omgevingen, bijvoorbeeld een lagere baan om de aarde in de ruimtevaart, dus potentieel gebruik in satellieten om de huidige omvangrijke lenzen te vervangen en de beeldkwaliteit te verbeteren en de lanceringskosten te verlagen.

Fig. 2 (a) Schematische afbeelding van GO metalens op een glazen substraat, de totale dikte is 200 nm. Wanneer verminderd door femtoseconde laser in RGO-gebied, de absorptie- en brekingsindex nemen toe terwijl de dikte wordt verminderd tot 100 nm. Genormaliseerde intensiteitsverdeling in het x-z-vlak van theoretische berekening van de focusseringskarakterisering van (b) axiale multifocale vlekken GO metalens en (c) optische naald GO metalens, respectievelijk. Credit: Opto-elektronische vooruitgang (2021). DOI:10.29026/oea.2021.200031

De auteurs van dit artikel ontwikkelden 200 nm dikke grafeenoxide metalenses om gespecialiseerde focale intensiteitsverdelingen te genereren. De grafeenoxide metalenses hebben het vermogen om de lichtamplitude te regelen (d.w.z. transparantie van de lens) en fase (brekingsindex en dikte van de lens) tegelijkertijd. Dit verschilt van andere metalenses, die de modulaties introduceren door middel van meerstaps nanofabricage of meerdere niveaus van nano-elementen, de modulaties van grafeenoxidelenzen worden lokaal geïntroduceerd door het laserfotoreductieproces, die grafeenoxide omzet in grafeenmateriaal. Tijdens het reductieproces het materiaal wordt dunner en heeft een hogere brekingsindex en absorptie. Gebaseerd op de gelijktijdige fase- en amplitudemodulaties, de auteurs demonstreren nauwkeurige controle van de focale intensiteitsverdelingen door een super-opgeloste ultralange optische naald en een axiale multifocale array te creëren, die extreem uitdagend zijn voor andere metalenses.

Grafeenoxide metalenses zullen brede toepassingen vinden in geïntegreerde fotonica en compacte fotonische systemen, inclusief microscopische beeldvorming, optische manipulatie en fotonische chips, en kan worden geïntegreerd op microfluïdische chips om biofotonische apparaten op een chip te vormen. Dit onderzoek vormt een basis voor de ontwikkeling van op grafeen gebaseerde ultradunne integreerbare fotonische apparaten en maakt de weg vrij voor bredere toepassingen, zoals het vervangen van de huidige cameralens van mobiele telefoons, waardoor de dikte van de huidige mobiele telefoons mogelijk kan worden verminderd.