La luce di diversi colori viaggia a velocità diverse in materiali e strutture diversi. Questo è il motivo per cui vediamo la luce bianca suddivisa nei suoi colori costituenti dopo la rifrazione attraverso un prisma, un fenomeno chiamato dispersione. Un normale obiettivo non può focalizzare la luce di colori diversi su un singolo punto a causa della dispersione. Ciò significa che colori diversi non sono mai a fuoco contemporaneamente, e quindi un'immagine formata da un obiettivo così semplice è inevitabilmente sfocata. I sistemi di imaging convenzionali risolvono questo problema impilando più obiettivi, ma questa soluzione ha il costo di una maggiore complessità e peso.

I ricercatori della Columbia Engineering hanno creato la prima lente piatta in grado di focalizzare correttamente un'ampia gamma di colori di qualsiasi polarizzazione nello stesso punto focale senza la necessità di elementi aggiuntivi. Solo un micron di spessore, la loro rivoluzionaria lente "piatta" è molto più sottile di un foglio di carta e offre prestazioni paragonabili ai migliori sistemi di lenti composite. I risultati della squadra, guidato da Nanfang Yu, professore associato di fisica applicata, sono delineati in un nuovo studio, pubblicato oggi da Luce:scienza e applicazioni .

Una lente convenzionale funziona instradando tutta la luce che cade su di essa attraverso percorsi diversi in modo che l'intera onda luminosa arrivi al punto focale contemporaneamente. È prodotto per farlo aggiungendo una quantità crescente di ritardo alla luce mentre va dal bordo al centro dell'obiettivo. Questo è il motivo per cui una lente convenzionale è più spessa al centro che ai bordi.

Con l'obiettivo di inventare un più sottile, accendino, e lenti più economiche, La squadra di Yu ha adottato un approccio diverso. Usando la loro esperienza nelle "metasuperfici" ottiche, strutture bidimensionali ingegnerizzate, per controllare la propagazione della luce nello spazio libero, i ricercatori hanno costruito lenti piatte fatte di pixel, o "meta-atomi". Ogni meta-atomo ha una dimensione che è solo una frazione della lunghezza d'onda della luce e ritarda la luce che lo attraversa di una quantità diversa. Modellando uno strato piatto molto sottile di nanostrutture su un substrato sottile come un capello umano, i ricercatori sono stati in grado di ottenere la stessa funzione di un sistema di lenti convenzionale molto più spesso e pesante. Guardando al futuro, anticipano che le meta-lenti potrebbero sostituire i sistemi di lenti ingombranti, paragonabile al modo in cui i televisori a schermo piatto hanno sostituito i televisori a tubo catodico.

"La bellezza della nostra lente piatta è che utilizzando meta-atomi di forme complesse, non solo fornisce la corretta distribuzione del ritardo per un singolo colore di luce ma anche per uno spettro di luce continuo, " Yu dice. "E poiché sono così magri, hanno il potenziale per ridurre drasticamente le dimensioni e il peso di qualsiasi strumento ottico o dispositivo utilizzato per l'imaging, come fotocamere, microscopi, telescopi, e anche i nostri occhiali. Pensa a un paio di occhiali con uno spessore più sottile di un foglio di carta, fotocamere per smartphone che non si gonfiano, sottili chiazze di sistemi di imaging e rilevamento per auto e droni senza conducente, e strumenti miniaturizzati per applicazioni di imaging medico."

Il team di Yu ha fabbricato le meta-lenti utilizzando tecniche di fabbricazione planare 2D standard simili a quelle utilizzate per la fabbricazione di chip per computer. Dicono che il processo di produzione di massa di lenti metalliche dovrebbe essere molto più semplice della produzione di chip per computer, poiché hanno bisogno di definire un solo strato di nanostrutture, in confronto, i moderni chip per computer necessitano di numerosi strati, alcuni fino a 100. Il vantaggio delle lenti metalliche piatte è che, a differenza delle lenti convenzionali, non hanno bisogno di passare attraverso i costosi e lunghi processi di levigatura e lucidatura.

"La produzione delle nostre lenti piatte può essere parallelizzata in modo massiccio, producendo grandi quantità di lenti ad alte prestazioni ed economiche, " nota Sajan Shrestha, uno studente di dottorato nel gruppo di Yu che è stato co-autore principale dello studio. "Possiamo quindi inviare i nostri progetti di lenti alle fonderie di semiconduttori per la produzione di massa e beneficiare delle economie di scala inerenti al settore".

Poiché la lente piatta può focalizzare la luce con lunghezze d'onda che vanno da 1,2 a 1,7 micron nel vicino infrarosso allo stesso punto focale, può formare immagini "colorate" nella banda del vicino infrarosso perché tutti i colori sono a fuoco contemporaneamente, essenziali per la fotografia a colori. L'obiettivo può focalizzare la luce di qualsiasi stato di polarizzazione arbitrario, in modo che funzioni non solo in un ambiente di laboratorio, dove la polarizzazione può essere ben controllata, ma anche nelle applicazioni del mondo reale, dove la luce ambientale ha una polarizzazione casuale. Funziona anche per luce trasmessa, conveniente per l'integrazione in un sistema ottico.

"Il nostro algoritmo di progettazione esaurisce tutti i gradi di libertà nello scolpire un'interfaccia in un modello binario, e, di conseguenza, le nostre lenti piatte sono in grado di raggiungere prestazioni che si avvicinano al limite teorico che una singola interfaccia nanostrutturata può raggiungere, "Adam Overvig, l'altro co-autore principale dello studio e anche uno studente di dottorato con Yu, dice. "Infatti, abbiamo dimostrato alcune lenti piatte con i migliori tratti combinati teoricamente possibili:per un dato diametro della meta-lente, abbiamo raggiunto il punto focale più stretto sulla più ampia gamma di lunghezze d'onda."

Aggiunge il professor Nader Engheta dell'Università della Pennsylvania H. Nedwill Ramsey, un esperto di nanofotonica e metamateriali che non è stato coinvolto in questo studio:"Questo è un lavoro elegante del gruppo del professor Nanfang Yu ed è uno sviluppo entusiasmante nel campo dell'ottica piatta. Questa meta-lente acromatica, che è lo stato dell'arte nell'ingegneria delle metasuperfici, può aprire le porte a nuove innovazioni in una serie diversificata di applicazioni che coinvolgono l'imaging, rilevamento, e la tecnologia delle fotocamere compatte."

Ora che le meta-lenti costruite da Yu e dai suoi colleghi si stanno avvicinando alle prestazioni dei set di lenti per imaging di alta qualità, con peso e dimensioni molto inferiori, il team ha un'altra sfida:migliorare l'efficienza delle lenti. Le lenti piatte attualmente non sono ottimali perché una piccola frazione della potenza ottica incidente viene riflessa dalla lente piatta, o sparsi in direzioni indesiderate. Il team è ottimista sul fatto che la questione dell'efficienza non sia fondamentale, e sono impegnati a inventare nuove strategie di progettazione per affrontare il problema dell'efficienza. Sono anche in trattative con l'industria per sviluppare ulteriormente e concedere in licenza la tecnologia.

Lo studio è intitolato "Metalli dielettrici acromatici a banda larga".