Плоская линза произведёт революцию в оптике

Структура метаматериала под микроскопом.

Фото M. Khorasaninejad et al., Capasso Lab.

Новое устройство меняет длину волны излучения в широких пределах.

Иллюстрация Peter Allen/Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Металинза длиной 600 нанометров позволяет получить изображение такого же разрешения и с таким увеличением, как 5-6-сантиметровая оптическая. На снимке клетки лука.

Фото Capasso Lab.

В современных оптических приборах со стеклянными изогнутыми линзами, чтобы получить чёткое увеличенное изображение и избежать искажений требуется либо взять большую линзу, либо использовать несколько линз, расположенных далеко друг от друга. Вот почему мощные оптические микроскопы такие большие, а телеобъективы фотоаппаратов такие длинные.

За последние годы технологии продвинулись достаточно, чтобы разместить компактную камеру в смартфоне. Но когда у инженеров появится возможность заменить систему изогнутых линз одной плоской, это позволит ещё больше уменьшить размер объективов и значительно увеличить качество получаемой картинки.

Исследователи из Гарвардского университета на днях продемонстрировали первую плоскую линзу, которая работает во всём диапазоне видимого света, а значит, передаёт все возможные цвета. Устройство радиусом в два миллиметра и толщиной меньше человеческого волоса позволяет увеличить изображение наноразмерных объектов и рассмотреть их с чёткостью выше, чем у лучших современных микроскопов.

Новое устройство меняет длину волны излучения в широких пределах.
Новое устройство меняет длину волны излучения в широких пределах.
Иллюстрация Peter Allen/Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Новая линза является метаповерхностью (свойства такого материала не естественные), и её свойства обусловлены особой упорядоченной структурой составных компонентов "линзы". Она представляет собой пластинку прозрачного кварца, покрытую миллионами крошечных столбиков из диоксида титана, каждый из которых имеет ширину в несколько десятков и высоту в несколько сотен нанометров. Столбики особым образом взаимодействуют со светом, а их массив "нарезает" луч света на отдельные фрагменты и фокусирует каждый подобно тому, как это происходит в обычной линзе.

 

При этом плоская линза не вызывает присущего традиционной оптике эффекта аберрации, когда лучи света отклоняются от идеальной траектории и вызывают дефекты изображения.

"Эта технология является потенциально революционной, поскольку линза работает в видимой области спектра, что позволяет использовать её во всех видах устройств, от микроскопов до камеры мобильного телефона, – рассказывает старший автор исследования Федерико Капассо (Federico Capasso). – В ближайшее время металинзы будут производиться в больших количествах по тем же технологиям литографии, что процессоры и модули памяти, а их цена будет значительно ниже оптических аналогов".

Учёные искали материал, который не поглощает и не рассеивает свет, а преобразует его с высоким коэффициентом преломления. Кроме того, для масштабирования технологии этот материал должен был широко использоваться в промышленности.

В итоге выбор исследователей пал на диоксид титана, который используется при производстве красок, лаков и солнцезащитного крема. Созданная ими структура из наностолбиков может фокусировать луч в точку диаметром меньше длины волны света. Это означает, что разрешение полученного изображения будет выше, чем у самых дорогих оптических объективов.

"Обычные линзы проходят точную ручную полировку и любое отклонение, любая ошибка при сборке снижает качество изображения, – объясняет в пресс-релизе соавтор исследования Вэй Тин Чэнь (Wei Ting Chen). – Наш объектив с прекрасной производительностью и широкой областью применения можно изготовить за один шаг с помощью литографии".

Многие специалисты сходятся во мнении, что разработка американских учёных является настоящим прорывом и в скором времени новые линзы могут серьёзно изменить ситуацию на рынке электронных устройств от носимых гаджетов до космических телескопов.

Статья авторов новинки опубликована в издании Science. Они подали все необходимые заявки на патенты и активно ищут пути для коммерциализации своей разработки.