Riesci a immaginare un giorno di usare un telescopio sottile come un foglio di carta, o una fotocamera ad alte prestazioni molto più piccola e leggera? O non hai più quell'urto della fotocamera dietro il tuo smartphone?

In un articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , ricercatori dell'Università di Ottawa hanno proposto un nuovo elemento ottico che potrebbe trasformare queste idee in realtà miniaturizzando drasticamente i dispositivi ottici, potenzialmente impattando molte delle applicazioni nella nostra vita.

Per saperne di più su questo progetto, abbiamo parlato con l'autore principale Dr. Orad Reshef, un borsista postdottorato senior nel Robert Boyd Group, e il capo della ricerca, il dott. Jeff Lundeen, chi è il Canada Research Chair in Quantum Photonics, Professore Associato nel Dipartimento di Fisica dell'Università di Ottawa, e capo del Lundeen Lab.

Puoi descrivere il nuovo elemento ottico sviluppato dal tuo team, la piastra spaziale?

Orad Reshef:La luce "si diffonde" naturalmente quando è in viaggio, e ogni dispositivo ottico che conosciamo si basa su questa diffusione; non sapremmo come progettare fotocamere senza di essa. Per esempio, in ogni telescopio, c'è un ampio spazio tra l'oculare e la lente dell'obiettivo per dare spazio alla luce per diffondersi.

Una piastra spaziale simula la stessa diffusione che la luce sperimenterebbe percorrendo una grande distanza in un piccolo dispositivo. alla luce, una piastra spaziale sembra più spazio di quello che occupa. In un modo, la piastra spaziale è una controparte dell'obiettivo, fare cose che l'obiettivo non può fare per ridurre interi sistemi di imaging.

Abbiamo introdotto l'idea di una piastra spaziale nel nostro articolo, dimostrandolo sperimentalmente e mostrando che è compatibile con la luce a banda larga nello spettro visibile che usiamo per vedere.

Jeff Lundeen:Abbiamo considerato cosa accadrebbe se manipolassi la luce in base all'angolo anziché alla posizione di un raggio di luce. Le lenti agiscono tramite la posizione del raggio. L'angolo è un dominio completamente nuovo, e nessuno aveva dimostrato che si potesse usare per fare qualcosa di particolarmente utile. Abbiamo identificato un'applicazione utile, comprimere lo spazio. E poi abbiamo dimostrato che potevamo effettivamente progettare e dimostrare sperimentalmente lastre che fanno esattamente questo.

Orad Reshef:Questo è eccitante perché questo dispositivo ci permetterà di ridurre tutti i tipi di dispositivi molto grandi che pensavamo fossero impossibili da miniaturizzare in ottica. Per progettarlo, dobbiamo elaborare una nuova serie di regole che sia incompatibile con quella utilizzata nella progettazione delle lenti. Nessuno sa cosa sono, è come il selvaggio west.

Come ti è venuta questa idea?

Jeff Lundeen:Orad Reshef è un esperto nell'uso della nanotecnologia per manipolare un raggio in base alla sua posizione (ad esempio meta-lenti o, più generalmente, metasuperfici). Stavamo discutendo casualmente dei limiti della manipolazione della luce con queste meta-superfici e ho detto che sarebbe stato bello manipolare invece la luce in base al suo angolo.

Il Dr. Reshef è stato immediatamente fiducioso di poter progettare e fabbricare qualcosa in grado di farlo e successivamente ho concluso che l'obiettivo più semplice sarebbe stato sostituire lo spazio necessario per la diffusione (cioè, propagazione).

Nel corso dei prossimi mesi, in discussioni con il dottor Boyd e il dottor Reshef, lentamente ci siamo resi conto di quanto sarebbe stato fantastico e utile un dispositivo del genere. Sia io che il dottor Reshef abbiamo ideato progetti fattibili e completamente diversi, che ha mostrato che c'erano molti modi per creare un tale dispositivo. Ne abbiamo studiati tre nel nostro articolo, ma ce ne sono altri in arrivo.

Come potrebbe essere utilizzata questa tecnologia? Quali sono le applicazioni della piastra spaziale nella nostra vita quotidiana?

Orad Reshef:Una piastra spaziale può essere utilizzata per miniaturizzare molti sistemi ottici, sia esso un display o un sensore. Per esempio, una piastra spaziale avanzata può abilitare telescopi o fotocamere sottili come la carta; potrebbe essere utilizzato per rimuovere la protuberanza della fotocamera sul retro dello smartphone.

Jeff Lundeen:La gente si trascina dietro grandi fotocamere con enormi teleobiettivi. Se possiamo migliorare sufficientemente le prestazioni della piastra spaziale, Immagino la possibilità di costruire più piccoli, fotocamere più leggere con prestazioni molto migliori. In particolare, la piastra spaziale combinata con i metalenses ci permetterebbe di realizzare l'intera superficie posteriore di, dire, un iPhone massimo, in una fotocamera piatta e sottile. Avrebbe una risoluzione 14 volte migliore e prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione rispetto a quelle fotocamere grandi e pesanti.

Le fotocamere sottili e piccole sarebbero utili in un'ampia varietà di applicazioni, anche nell'assistenza sanitaria dove pillole fotografiche o endoscopi potrebbero guardare all'interno delle arterie o dell'apparato digerente.

Quali sono i prossimi passi?

Orad Reshef:Stiamo lavorando duramente per sviluppare la prossima generazione di questa tecnologia. Vogliamo provare ad aumentare il fattore di compressione e migliorare le prestazioni complessive. Abbiamo già alcuni progetti per aumentare il fattore di compressione da cinque a oltre 100 volte, e per aumentare la trasmissione totale. Per continuare a farlo, dobbiamo trovare un paradigma di design completamente nuovo.

Qualche pensiero finale?

Orad Reshef:È sorprendente che elementi ottici come le lenti siano in circolazione da un millennio e le loro regole di progettazione siano state ben comprese da oltre 400 anni, eppure stiamo ancora scoprendo nuovi elementi ottici fondamentali per l'imaging.

L'articolo Un'ottica per sostituire lo spazio e la sua applicazione verso i sistemi di imaging ultrasottili è pubblicato su Comunicazioni sulla natura .