Harvard's plat-oppervlak Metalens elimineert chromatische aberratie, revolutioneert Virtual Reality

Harvard-onderzoekers hebben een metalens ontwikkeld die alle zichtbare lichtgolven op één specifiek punt in hoge resolutie kan focussen. Het gebruikt titaniumdioxide-nanofins die alle golflengtes van licht gelijkmatig focussen, wat chromatische aberratie elimineert. Metalens opent een nieuw bereik aan mogelijkheden, inclusief toepassingen in lithografie, microscopie, endoscopie, virtuele en gemengde realiteit.

Obstakels

Het is erg moeilijk om het hele zichtbare spectrum van licht (inclusief witte kleur) op één punt te focuseren, hoofdzakelijk omdat verschillende golflengtes met verschillende snelheid door materialen reizen. Bijvoorbeeld, blauw licht zal langzamer gaan dan rood, dus deze twee kleuren zullen op een gegeven punt op verschillende tijden arriveren, wat de focussen anders maakt en het beeld vervormt. Deze vervorming heet chromatische aberraties.

Om deze aberraties te corrigeren, gebruiken alle optische apparaten twee of meer gebogen lenzen met verschillende diktes, wat bulk aan het instrument toevoegt.

Metalenzen en Ontwerp

Metalenzen hebben verschillende voordelen ten opzichte van conventionele lenzen – ze zijn gemakkelijk te fabriceren, dun en kosteneffectief. Het onderzoeks team heeft deze voordelen benut over het hele zichtbare spectrum van licht.

De nieuwe metalens gebruikt titaniumdioxide-nanofins die alle golflengtes van licht gelijkmatig focussen, wat chromatische aberratie elimineert. Om dit te doen, namen onderzoekers enkele ideeën uit eerdere studie die demonstreert dat verschillende golflengtes op een gegeven punt gefocust kunnen worden door breedte, hoogte, afstand en vorm van de nanofins aan te passen.

In het nieuwe ontwerp controleren gepaarde nanofins simultaan de snelheid van distincte golflengtes, en de brekingsindex van het oppervlak van de metalens. Dit geeft variabele tijdsvertragingen aan golflengtes die door verschillende fins passeren, op een manier dat alle lichten op hetzelfde moment het brandpunt bereiken.

De lichtsnelheid in het genanostructureerde materiaal kan afgestemd worden door twee nanofins te mergen tot één element. Het verlaagt de dikte en ontwerpprocomplexiteit significant ten opzichte van achromatische lenzen.

Specifiek heeft het team diffractie-beperkte achromatische focussering en imaging gedemonstreerd van 470 tot 760 nanometer. De nieuwe metalens bevat slechts een enkele laag nanostructuren met een dikte van de orde van de golflengte, en omvat geen spatiale multiplexing of cascadering.

In dit onderzoek zijn titaniumdioxide-nanostructuren gedemonstreerd met ongeveer 4,5 micrometer hoogte corresponderend met een groepsvertraging van ongeveer 37 femtoseconden (10^-15 seconden).

Cascaderende lagen van metalenzen kunnen de groepsvertraging verder verhogen, wat een extra graad van vrijheid introduceert om monochromatische aberraties binnen een groot zichtveld te corrigeren. Men kan ook een metalens die fungeert als aberratiecorrector mergen met een brekende sferische lens.

Het ziet er veelbelovend uit omdat men in staat zou zijn om gelijktijdig chromatische en monochromatische aberraties van de sferische lens te corrigeren, terwijl men de voordelen van grotere lensopening en kleine chromatische brandpuntschuif benut.

Wat is de volgende stap?

Harvard heeft de technologie al gelicenseerd aan een startup voor commerciële ontwikkeling, en heeft de intellectuele eigendom van het project beschermd.

Onderzoekers richten nu hun doelen op het vergroten van de diameter van de lens tot 1 centimeter, wat een nieuw bereik aan mogelijkheden kan openen, inclusief toepassingen in lithografie, microscopie, endoscopie, virtuele en gemengde realiteit.