Современные оптические системы — от камер смартфонов до самых современных микроскопов — используют технологию, которая практически не изменилась с середины 1700-х годов. Сложные линзы, изобретенные около 1730 года, корректируют хроматические аберрации, которые заставляют линзы фокусировать свет на разных длинах волн в разных точках. Будучи эффективными, эти многокомпонентные линзы громоздки, дороги и требуют точной полировки или формовки и очень тщательного оптического выравнивания. Теперь группа исследователей из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS) задается вопросом: не пора ли обновить?

На фото: Изображения мишени с разрешением ВВС США, микроскопический тест оптического разрешения, с мета-корректором (слева) и без (справа). ширина линии первой строки в группе 7 цели разрешения составляет 3,91 микрометра. Масштабная линейка составляет 25 микрометров. Фото: Capasso Lab

Исследователи SEAS разработали так называемый метакорректор, однослойную поверхность наноструктур, которая может корректировать хроматические аберрации по всему видимому спектру и может быть включена в коммерческие оптические системы, от простых линз до микроскопов высокого класса. Метакорректор устраняет хроматические аберрации в коммерческом объективе по всему спектру видимого света. Устройство также работает для сверхсложных объективов с 14 обычными объективами, используемыми в микроскопах высокого разрешения.

Исследование описано в Nano Letters

«Наша технология метакорректоров может работать в сочетании с традиционными преломляющими оптическими компонентами для повышения производительности при значительном снижении сложности и занимаемой площади системы для широкого спектра приложений большого объема», — сказал Федерико Капассо, профессор прикладной физики Роберта Л. Уоллеса. Винтон Хейс, старший научный сотрудник по электротехнике в SEAS, и старший автор статьи.

В предыдущих исследованиях Капассо и его команда продемонстрировали, что мета-поверхности, массивы нанопилляров, расположенные на расстоянии менее длины волны, могут использоваться для управления фазой, амплитудой и поляризацией света и создания новых ультракомпактных оптических устройств, в том числе плоских линз. В этом исследовании используются те же принципы, что и для настройки и управления эффективным показателем преломления каждой наночастицы, чтобы метакорректор приводил все длины волн к одной и той же точке фокусировки.

СЭМ-изображение метакорректора

СЭМ-изображение метакорректора. Показатель преломления каждой наночастицы можно настраивать и контролировать так, чтобы все длины волн были приведены к одной и той же фокусной точке. Фото: Harvard SEAS
«Вы можете представить себе свет, как разные пакеты, доставляемые с разной скоростью, так как он распространяется в нанопилларах. Мы разработали нанопиллары таким образом, чтобы все эти пакеты приходили в фокусное место в одно и то же время и с одинаковой временной шириной », — сказал Вей Тинг Чен, научный сотрудник по прикладной физике в SEAS и первый автор статьи.

«Использование метакорректоров в корне отличается от традиционных методов коррекции аберраций, таких как каскадное преломление оптических компонентов или использование дифракционных элементов, поскольку в них задействованы технологии наноструктуры», — сказал Александр Чжу, аспирант SEAS и соавтор исследования. «Это означает, что мы можем выйти за пределы материальных ограничений линз и иметь гораздо лучшие характеристики».

Далее, исследователи стремятся повысить эффективность для высококачественных и миниатюрных оптических устройств.

Гарвардское бюро по технологическому развитию защитило интеллектуальную собственность, связанную с этим проектом, и изучает возможности коммерциализации.

 

По материалам сайта phys.org