Schema di fabbricazione laser a femtosecondi di una lente TMDC monostrato. Riquadro:(i) immagine AFM di un cristallo singolo TMDC monostrato, e (ii) Schema della generazione indotta da laser a femtosecondi di nanoparticelle MOx. Credito:Han Lin, Zai Quan Xu, Guiyuan Cao, Yupeng Zhang, Jiadong Zhou, Ziyu Wang, Zhichen Wan, Zheng Liu, Kian Ping Loh, Cheng Wei Qiu, Qiaoliang Bao, Baohua Jia
Una lente ottica ultrasottile realizzata con un monostrato di dicalcogenuri di metalli di transizione bidimensionali (TMDC) potrebbe aprire la strada a dispositivi di imaging di prossima generazione. Un team internazionale di ricercatori, guidato dal Prof. Baohua Jia della Swinburne University of Technology in Australia, ha utilizzato la scrittura laser a femtosecondi per modellare le nanoparticelle sui cristalli TMDC. L'obiettivo ha una risoluzione della lunghezza d'onda inferiore e un'efficienza di messa a fuoco tridimensionale del 31%, gettare le basi per dispositivi ottici da utilizzare in applicazioni nano-ottiche e fotoniche su chip.
Le lenti sono uno dei componenti ottici più comunemente usati nella vita quotidiana, compresi gli occhiali, obiettivi microscopici, lente d'ingrandimento, e obiettivi della fotocamera. Le lenti convenzionali si basano sul principio della rifrazione della luce, utilizzando materiali diversi, superfici sferiche e posizioni spaziali per ottenere il controllo della luce. La fabbricazione di lenti convenzionali, compresi i processi di selezione dei materiali, taglio, molatura grossolana, macinatura fine, lucidatura, e test. Al fine di ridurre al minimo le aberrazioni compresa l'aberrazione cromatica, aberrazione sferica e astigmatismi, è necessario impilare più strati di lenti per formare lenti composte, portando alla complessità e all'ingombro delle attuali apparecchiature fotografiche.
Perciò, enormi sforzi sono stati dedicati allo sviluppo di lenti piatte ultrasottili. A differenza delle lenti convenzionali, le lenti piatte utilizzano nanostrutture per modulare la luce. Controllando le proprietà ottiche e la posizione spaziale di ciascun nanoelemento, funzioni avanzate, come la messa a fuoco acromatica e priva di aberrazioni, è possibile ottenere un'elevata risoluzione spaziale e distribuzioni speciali dell'intensità focale. Però, quando lo spessore del materiale è ridotto alla scala delle lunghezze d'onda, l'insufficiente modulazione di fase o di ampiezza in base all'indice di rifrazione intrinseco e all'assorbimento dei materiali si traduce in scarse prestazioni della lente.
In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , un team di scienziati, guidato dal Prof. Baohua Jia presso il Center for Translational Atomaterials, Swinburne University of Technology, Australia, Prof. Qiaoliang Bao già alla Monash University, Il prof. Chengwei Qiu della National University of Singapore e i suoi collaboratori hanno sviluppato un metodo innovativo per fabbricare lenti ad alte prestazioni in materiale bidimensionale dichalcogenide di metallo di transizione monostrato (TMDC) utilizzando un laser a femtosecondi per modellare le nanoparticelle. L'obiettivo ha una risoluzione della lunghezza d'onda inferiore e un'efficienza di messa a fuoco del 31%, gettando le basi per dispositivi ottici sottili da utilizzare in applicazioni nano-ottiche e fotoniche su chip.
Sebbene le lenti realizzate con TMDC multistrato siano state dimostrate in precedenza, quando il loro spessore è ridotto alla scala sub-nanometrica, la loro insufficiente modulazione di fase o di ampiezza determina efficienze di focalizzazione inferiori all'1%. Il team internazionale ha scoperto che è possibile generare nanoparticelle utilizzando un raggio laser a femtosecondi per interagire con il materiale TMDC monostrato, che è significativamente diverso dal processo prodotto da un laser ad onda continua. Quando l'impulso laser è così breve che l'intero materiale rimane freddo dopo il processo laser, le nanoparticelle possono attaccarsi saldamente al substrato. Le nanoparticelle mostrano una diffusione molto forte per modulare l'ampiezza della luce. Perciò, l'obiettivo realizzato con le nanoparticelle può fornire una risoluzione della lunghezza d'onda inferiore e un'elevata efficienza, che consente al team di dimostrare l'imaging a diffrazione limitata utilizzando le lenti.
un, Schema illustrante l'imaging a diffrazione limitata utilizzando una lente TMDC monostrato. B, Immagine al microscopio ottico di una lente TMDC monostrato su larga scala (300 μm di diametro, f1 =300 micron). C, Immagine al microscopio ottico della lettera "F" dell'oggetto. D, Immagine del 2° ordine dell'oggetto "F". e, Immagine di primo ordine di "F". F, Immagine al microscopio ottico della scheda standard USAF. G, h, Immagini di 2° e 1° ordine della scheda standard USAF. La barra della scala in d, e, G, e h, è 10 micron. Credito:Han Lin, Zai Quan Xu, Guiyuan Cao, Yupeng Zhang, Jiadong Zhou, Ziyu Wang, Zhichen Wan, Zheng Liu, Kian Ping Loh, Cheng Wei Qiu, Qiaoliang Bao, Baohua Jia
Un monostrato è la forma più sottile di un materiale, che è il limite massimo di spessore fisico. Utilizzando il monostrato per la fabbricazione delle lenti, il processo dimostrato in questo studio ha consumato il materiale meno conforme alla limitazione teorica. Ma ancora più importante, la tecnica di fabbricazione laser a femtosecondi è un processo semplice in un solo passaggio, senza i requisiti di alto vuoto o ambiente speciale, quindi fornisce il modo più semplice per fabbricare una lente piatta ultrasottile. Di conseguenza, l'obiettivo può essere facilmente integrato in qualsiasi dispositivo fotonico o microfluidico per ampie applicazioni.
"Abbiamo utilizzato il materiale più sottile al mondo per fabbricare una lente piatta, e dimostrare che le buone prestazioni dell'obiettivo ultrasottile possono portare a immagini ad alta risoluzione. Mostra un enorme potenziale in diverse applicazioni, come occhiali da vista, lenti per microscopia, telescopi e obiettivi fotografici. È prevedibile che, utilizzando questa tecnica, il peso e le dimensioni degli obiettivi della fotocamera possono essere notevolmente ridotti nel prossimo futuro, " ha detto il dottor Han Lin, il primo autore del Center for Translational Atomaterials, Swinburne University of Technology.
"Siamo entusiasti di vedere questo risultato unico dalla lavorazione laser a femtosecondi di materiali 2-D. Apre nuove possibilità per la fabbricazione di dispositivi fotonici utilizzando un metodo scalabile, " aggiunto dal Prof. Baohua Jia, Direttore del Center for Translational Atomaterials.
"Possiamo integrare la lente in materiale 2-D monostrato sui dispositivi desiderati semplicemente attaccando il materiale e quindi utilizzando un laser a femtosecondi per eseguire la fabbricazione. L'intero processo è semplice, e il metodo è flessibile ea basso costo. Così, vediamo anche il grande potenziale applicativo del metodo, " ha commentato il Prof. Qiaoliang Bao già alla Monash University.
"Progettiamo il nostro obiettivo in modo tale che l'immagine possa essere trovata su diversi piani focali, con diversi ingrandimenti. Questo meccanismo può essere facilmente utilizzato per sviluppare un obiettivo con zoom ottico da utilizzare nelle fotocamere dei cellulari. Attualmente, obiettivi con lunghezze focali diverse vengono utilizzati per ottenere diverse funzioni di zoom. Però, i nostri obiettivi possono raggiungere diverse velocità di zoom semplicemente con un design, " ha concluso il prof. Chengwei Qiu della National University of Singapore previsioni.
