La luz de diferentes colores viaja a diferentes velocidades en diferentes materiales y estructuras. Es por eso que vemos la luz blanca dividida en sus colores constituyentes después de refractarse a través de un prisma, un fenómeno llamado dispersión. Una lente ordinaria no puede enfocar la luz de diferentes colores a unpunto único debido a la dispersión. Esto significa que diferentes colores nunca están enfocados al mismo tiempo, por lo que una imagen formada por una lente tan simple se ve inevitablemente borrosa. Los sistemas de imágenes convencionales resuelven este problema al apilar varias lentes, pero esta solución llegacosto de mayor complejidad y peso.
Los investigadores de Columbia Engineering han creado la primera lente plana capaz de enfocar correctamente una amplia gama de colores de cualquier polarización al mismo punto focal sin la necesidad de elementos adicionales. Solo un micrón de grosor, su revolucionaria lente "plana" es mucho más delgadaque una hoja de papel y ofrece un rendimiento comparable a los sistemas de lentes compuestos de primera línea. Los hallazgos del equipo, dirigido por Nanfang Yu, profesor asociado de física aplicada, se describen en un nuevo estudio, publicado hoy por Luz: ciencia y aplicaciones .
Una lente convencional funciona al enrutar toda la luz que cae sobre ella a través de diferentes caminos para que toda la onda de luz llegue al punto focal al mismo tiempo. Se fabrica para hacerlo agregando una cantidad creciente de retraso a la luz comova desde el borde hasta el centro de la lente. Es por eso que una lente convencional es más gruesa en su centro que en su borde.
Con el objetivo de inventar una lente más delgada, más ligera y más barata, el equipo de Yu tomó un enfoque diferente. Utilizando su experiencia en "metasuperficies" ópticas - estructuras bidimensionales diseñadas - para controlar la propagación de la luz en el espacio libre, los investigadoresconstruyó lentes planas hechas de píxeles o "metaátomos". Cada metaátomo tiene un tamaño que es solo una fracción de la longitud de onda de la luz y retrasa la luz que pasa a través de ella en una cantidad diferente. Al modelar una capa plana muy delgadade nanoestructuras en un sustrato tan delgado como un cabello humano, los investigadores pudieron lograr la misma función que un sistema de lentes convencional mucho más grueso y pesado. Mirando hacia el futuro, anticipan que las meta-lentes podrían reemplazar los sistemas de lentes voluminosos, comparablesa la forma en que los televisores de pantalla plana han reemplazado a los televisores con tubo de rayos catódicos.
"La belleza de nuestra lente plana es que al usar metaátomos de formas complejas, no solo proporciona la distribución correcta del retraso para un solo color de luz, sino también para un espectro continuo de luz", dice Yu. "YDebido a que son tan delgados, tienen el potencial de reducir drásticamente el tamaño y el peso de cualquier instrumento óptico o dispositivo utilizado para obtener imágenes, como cámaras, microscopios, telescopios e incluso nuestros anteojos. Piense en un par de anteojos con un espesor más delgado.que una hoja de papel, cámaras de teléfonos inteligentes que no se abultan, parches delgados de sistemas de imágenes y sensores para automóviles y drones sin conductor, y herramientas en miniatura para aplicaciones de imágenes médicas ".
El equipo de Yu fabricó las meta-lentes usando técnicas de fabricación planas 2D estándar similares a las usadas para fabricar chips de computadora. Dicen que el proceso de fabricación en masa de meta-lentes debería ser mucho más simple que producir chips de computadora, ya que necesitan definirsolo una capa de nanoestructuras: en comparación, los chips de computadora modernos necesitan numerosas capas, algunas de hasta 100. La ventaja de las meta-lentes planas es que, a diferencia de las lentes convencionales, no necesitan pasar por el costoso y costoso tiempo.procesos de molienda y pulido de consumo.
"La producción de nuestras lentes planas se puede paralelizar masivamente, produciendo grandes cantidades de lentes de alto rendimiento y baratas", señala Sajan Shrestha, un estudiante de doctorado en el grupo de Yu que fue coautor principal del estudio. "Por lo tanto, podemos enviarnuestros diseños de lentes para fundiciones de semiconductores para la producción en masa y se benefician de economías de escala inherentes a la industria ".
Debido a que la lente plana puede enfocar la luz con longitudes de onda que varían de 1.2 a 1.7 micras en el infrarrojo cercano al mismo punto focal, puede formar imágenes "coloridas" en la banda del infrarrojo cercano porque todos los colores están enfocados enAl mismo tiempo, esencial para la fotografía en color. La lente puede enfocar la luz de cualquier estado de polarización arbitrario, por lo que funciona no solo en un entorno de laboratorio, donde la polarización se puede controlar bien, sino también en aplicaciones del mundo real, donde la luz ambientaltiene polarización aleatoria. También funciona para la luz transmitida, conveniente para la integración en un sistema óptico.
"Nuestro algoritmo de diseño agota todos los grados de libertad al esculpir una interfaz en un patrón binario y, como resultado, nuestras lentes planas pueden alcanzar un rendimiento cercano al límite teórico que una sola interfaz nanoestructurada puede alcanzar", Adam Overvig, dice el otro coautor del estudio y también un estudiante de doctorado con Yu. "De hecho, hemos demostrado algunas lentes planas con los mejores rasgos combinados teóricamente posibles: para un diámetro de meta-lente dado, hemos logrado elpunto focal más ajustado en el rango de longitud de onda más grande ".
Agrega el profesor Nader Engheta de la Universidad de Pennsylvania H. Nedwill Ramsey, un experto en nanofotónica y metamateriales que no participó en este estudio: "Este es un trabajo elegante del grupo del profesor Nanfang Yu y es un desarrollo emocionante en el campo de los planosóptica. Esta meta-lente acromática, que es lo último en ingeniería de metasuperficies, puede abrir puertas a nuevas innovaciones en un conjunto diverso de aplicaciones que involucran imágenes, sensores y tecnología de cámara compacta ".
Ahora que las meta-lentes construidas por Yu y sus colegas se están acercando al rendimiento de los conjuntos de lentes de imágenes de alta calidad, con un peso y tamaño mucho más pequeños, el equipo tiene otro desafío: mejorar la eficiencia de las lentes. Las lentes planas actualmente sonno es óptimo porque una pequeña fracción de la potencia óptica incidente se refleja en la lente plana o se dispersa en direcciones no deseadas. El equipo es optimista de que el tema de la eficiencia no es fundamental y están ocupados inventando nuevas estrategias de diseño para abordar la eficienciaproblema. También están en conversaciones con la industria sobre el desarrollo y la licencia de la tecnología.
Sobre el estudio
El estudio se titula "Metalenses acromáticos dieléctricos de banda ancha".
Los autores son: Sajan Shrestha, Adam C. Overvig y Nanfang Yu Departamento de Física Aplicada y Matemática Aplicada, Ingeniería de Columbia; y Ming Lu y Aaron Stein Laboratorio Nacional de Brookhaven, Centro de Nanomateriales Funcionales.
El trabajo fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa no. D15AP00111 y no. HR0011-17-2-0017, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea no. FA9550-14-1-0389 y no. FA9550-16-1-0322, y la National Science Foundation n. ° ECCS-1307948. Adam Overvig reconoce el apoyo del programa NSF IGERT n. ° DGE-1069240. La investigación se llevó a cabo en parte en el Centro de Nanomateriales Funcionales, Brookhaven National Laboratory, que cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias Energéticas Básicas contrato no. DE-SC0012704, y en parte en la Instalación de NanoFabricación del Centro de Investigación de Ciencias Avanzadas ASRC en el Centro de Graduados de la CiudadUniversidad de Nueva York.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Original escrito por Holly Evarts. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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