Le ottiche piatte sono costituite da nanostrutture contenenti materiali ad alto indice di rifrazione per produrre lenti con fattori di forma sottili che funzionano solo a lunghezze d'onda specifiche.
Gli scienziati dei materiali hanno recentemente tentato di realizzare lenti acromatiche per scoprire un compromesso tra l'apertura numerica e la larghezza di banda che limita le prestazioni di tali materiali. In questo lavoro, Cheng-Feng Pan e un team di scienziati impegnati nello sviluppo di prodotti ingegneristici, nella tecnologia dell'informazione e nell'ingegneria informatica a Singapore e in Cina hanno proposto un nuovo approccio per progettare metallenti acromatiche multistrato ad alta apertura numerica, banda larga e insensibili alla polarizzazione.
Gli scienziati dei materiali hanno combinato l'ottimizzazione della topologia e le simulazioni della lunghezza d'onda completa per progettare inversamente i metalensi utilizzando la litografia a due fotoni. Il team di ricerca ha dimostrato le prestazioni di imaging a banda larga delle strutture ingegnerizzate sotto luce bianca e illuminazioni a banda stretta rossa, verde e blu.
I risultati hanno evidenziato la capacità delle strutture multistrato stampate in 3D di realizzare metadispositivi a banda larga e multifunzionali. I risultati sono ora pubblicati su Science Advances e sono presenti sulla copertina della rivista.
I recenti progressi nei metalensi su scala micro e macro hanno dimostrato l'importanza di ottenere prestazioni di imaging straordinarie adatte a una varietà di applicazioni nell'imaging del campo luminoso, nella bioanalisi, nella medicina e nelle tecnologie quantistiche. Ad esempio, le lenti acromatiche mostrano risposte a banda larga per acquisire informazioni sul colore, per espandere le possibilità di progettazione e gli scenari applicativi per i dispositivi fotonici.
Tali strutture sono ultracompatte, ultrasottili, leggere e adatte per realizzare metallenti convincenti per sistemi di imaging. La maggior parte dei metalli, tuttavia, è realizzata con materiali ad alto indice di rifrazione per fornire un buon controllo ottico, con una luce forte che rende difficile l'implementazione della banda larga.
I fisici hanno indicato il numero di Abbe come una cifra di merito nella progettazione delle lenti per rappresentare un materiale trasparente privo di dispersione comunemente utilizzato per materiali ad alto indice di rifrazione e come formula per realizzare una lente di messa a fuoco ad alta efficienza.
Il metodo di stampa 3D
Il gruppo di ricerca ha risolto le sfide di fabbricazione alla base delle metallenti acromatiche multistrato utilizzando la stampa tridimensionale. Il metodo di stampa 3D su scala nanometrica ha consentito la modellazione di una lente multistrato in un passaggio litografico per prototipare rapidamente strutture complesse. Utilizzando la polimerizzazione a due fotoni, gli scienziati hanno realizzato una varietà di progetti 3D, tra cui microlenti complesse, lenti con indice di gradiente e lenti diffrattive.
In questo lavoro, Pan e colleghi hanno utilizzato l'ottimizzazione della topologia per ottenere il comportamento della lente acromatica. Hanno raggiunto rapidamente una struttura stabile, multistrato e ad alta risoluzione.
Le metallenti acromatiche multistrato risultanti hanno mostrato livelli finora sconosciuti di prestazioni efficienti per integrare i vantaggi della stampa 3D ad alta risoluzione su scala nanometrica per creare metallenti con prestazioni eccezionali per ispirare un nuovo paradigma per progettare e fabbricare elementi e dispositivi ottici multifunzionali a banda larga.
La differenza principale tra lenti metalliche multilivello e lenti diffrattive multilivello è la dimensione dell'elemento più piccolo.
Ad esempio, mentre la dimensione minima della caratteristica può essere progettata per adattarsi a una dimensione specifica, sono necessarie simulazioni dell’onda intera per tenere conto delle interazioni tra gli strati e della dispersione. Utilizzando passaggi di filtraggio e binarizzazione, i ricercatori hanno trasformato la struttura progettata in un costrutto reale.
Il team ha sottoposto i campioni all'ottimizzazione della topologia e li ha formati utilizzando il sistema di stampa 3D professionale fotonico di Nanoscale GmbH, con un raggio focalizzato tramite scansione galvo per indurre la reticolazione di una resina liquida in un voxel solido su scala nanometrica nel punto focale.
Gli scienziati hanno ottimizzato il metodo di fabbricazione per ottenere un prototipo vicino al design normale e hanno valutato la qualità dell'immagine del prodotto posizionandolo su un target con risoluzione con una distanza pari a tre volte la lunghezza focale rispetto agli obiettivi.
I metalens ingegnerizzati hanno funzionato bene sotto la luce bianca per applicazioni di imaging acromatico, dimostrando la capacità senza rivali dei metalens di rimuovere le aberrazioni cromatiche. Gli scienziati hanno ottimizzato i parametri per mostrare come le metallenti acromatiche multistrato hanno mostrato un'elevata efficienza di focalizzazione con prestazioni a banda larga e ottimizzazione topologica per realizzare con precisione le metallenti progettate con caratteristiche su scala nanometrica.
In questo modo, Cheng-Feng Pan e il gruppo di ricerca hanno sviluppato un sistema di metalli multistrato e hanno considerato ogni strato come un correttore acromatico e un elemento di messa a fuoco. I risultati hanno mostrato come le metasuperfici impilate basate su materiali a basso indice di rifrazione hanno superato i limiti dell'ottica piatta a strato singolo per estendere le prestazioni dei metalensi alle funzioni a banda larga preservando l'elevata apertura numerica.
L'uso di metodi di stampa 3D a risoluzione più elevata e resine ad alto indice di rifrazione contribuiranno a un sistema ottico multifunzionale potenziato che funziona con un intervallo di risposta a banda larga oltre la gamma visibile per contenere una gamma dell'infrarosso vicino o medio.
Ulteriori informazioni: Cheng-Feng Pan et al, strutture multistrato stampate in 3D per metalensi acromatiche ad alta apertura numerica, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj9262
Ren Jie Lin et al, Array di metalli acromatici per l'imaging in campo luminoso a colori, Nature Nanotechnology (2019). DOI:10.1038/s41565-018-0347-0
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