I ricercatori hanno progettato una lente ottica con la più alta apertura numerica nello spazio libero fino ad oggi, raggiungendo un valore di poco inferiore a 1. Poiché l'apertura numerica indica la massima risoluzione possibile che un obiettivo può raggiungere, il nuovo obiettivo può focalizzare la luce con capacità senza precedenti, oltre a raccogliere la luce da ampi angoli. Queste capacità dovrebbero rendere l'obiettivo particolarmente utile per applicazioni in condizioni di scarsa illuminazione, come l'emissione di un singolo fotone, che viene spesso utilizzato nei sistemi di ottica quantistica.

I ricercatori, guidato da Arseniy Kuznetsov e Ramón Paniagua-Domínguez, presso A*STAR (Agenzia per la Scienza, Tecnologia, e ricerca) e la Nanyang Technological University, sia a Singapore, hanno pubblicato un articolo sull'obiettivo con apertura numerica vicina all'unità in un recente numero di Nano lettere .

In precedenza, l'apertura numerica più alta per un obiettivo a spazio libero era 0,95, che corrisponde ad un angolo di raccolta massimo di circa 72°. A causa del modo in cui sono realizzate queste lenti, sono anche grandi e costosi, e quindi non può essere facilmente ridimensionato per funzionare con sistemi molto piccoli.

Con la sua apertura numerica di 0,99, il nuovo obiettivo ha sia una risoluzione più elevata che un angolo di raccolta più ampio di 82°. La nuova lente è realizzata con una metasuperficie anziché con i tradizionali materiali per lenti. La metasuperficie è costituita da un modello di strutture a scala di lunghezza d'onda inferiore e ha uno spessore complessivo inferiore a una lunghezza d'onda della luce, risultando in una dimensione ridotta che amplia notevolmente le sue potenziali applicazioni.

"Lenti/obiettivi per microscopio ad alta apertura numerica sono i principali componenti ottici ampiamente utilizzati in microscopia, sistemi di rilevamento ottico, litografia ottica, ottica quantistica, eccetera., " Kuznetsov ha detto Phys.org . "Avere un'elevata apertura numerica è di primaria importanza per ottenere un'alta risoluzione e un alto livello di rilevamento dei segnali ottici. Gli obiettivi/obiettivi per microscopio ad alta apertura numerica attualmente esistenti sono ingombranti e costosi. In questo lavoro, abbiamo mostrato che, utilizzando un nuovo concetto di metasuperfici basate su nanoantenne dielettriche, è possibile progettare e realizzare componenti ottici piatti in grado di raggiungere un'apertura numerica superiore a tutti gli obiettivi ottici esistenti, usando solo un dispositivo spesso solo poche centinaia di nanometri."

Per dimostrare i vantaggi del nuovo obiettivo, i ricercatori lo hanno usato per visualizzare i centri di azoto vacanti nei nanocristalli di diamante, che hanno una dimensione di diverse decine di nanometri. Le immagini scansionate dai nuovi metalli hanno rivelato macchie più piccole rispetto alle immagini scansionate utilizzando obiettivi commerciali con aperture numeriche più piccole, dimostrando la maggiore risoluzione del nuovo obiettivo.

I ricercatori si aspettano che, nel futuro, il nuovo obiettivo può essere utilizzato anche per apportare miglioramenti alla fotolitografia, che viene utilizzato per produrre chip per computer e altri dispositivi ad alta risoluzione. Inoltre, si prevede che la nuova collezione grandangolare della nuova lente aumenterà l'efficienza dei processi di emissione di singoli fotoni, utilizzati nei sistemi di ottica quantistica.

"Riteniamo che questo nuovo concetto troverà ampie applicazioni in aree in cui è importante il rilevamento di segnali ottici deboli, " Kuznetsov ha detto. "Un esempio è in ottica quantistica, che si occupa di sistemi contenenti solo singoli atomi o emettitori quantistici che emettono luce a livello di singolo fotone. Tali lenti piatte non solo consentono il rilevamento di segnali ottici deboli, ma può anche operare in condizioni estreme di basse temperature e sotto vuoto, che è tipico per gli esperimenti di ottica quantistica.

"Un'altra importante direzione applicativa potrebbe essere nei dispositivi fotonici indossabili e mobili, dove è richiesta una fitta integrazione di componenti ottici ad alta efficienza. Per esempio, gli obiettivi potrebbero trovare applicazioni nelle fotocamere dei telefoni cellulari e negli occhiali per la realtà aumentata".

© 2018 Phys.org