Metalens de superfície plana de Harvard elimina a aberração cromática, revolucionando a realidade virtual

• Pesquisadores de Harvard desenvolveram metalens que podem focar todos os espectros de luz visível em um ponto específico em alta resolução.
• Ele usa nanoaletas de dióxido de titânio que focam todos os comprimentos de onda da luz igualmente, eliminando a aberração cromática.
• Metalens abre um novo leque de possibilidades, incluindo aplicações em litografia, microscopia, endoscopia, realidade virtual e mista.

Uma metalens é uma lente de superfície plana que usa nanoestruturas para focar a luz. Ela possui todo o potencial para substituir as lentes grossas e curvas existentes. No entanto, permaneceu limitado no espectro de luz que pode focar com precisão.

Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A.Paulson de Harvard criaram um novo metalens que é capaz o suficiente para focar todos os espectros de luz visível em um local específico em alta resolução. Até agora, isto só foi possível empilhando duas ou mais lentes tradicionais.

Isso deixou os pesquisadores um passo mais perto de incorporar lentes finas em dispositivos ópticos comuns e avançados, incluindo câmeras, dispositivos de realidade aumentada e virtual. Vamos descobrir em detalhes como os pesquisadores de Harvard conseguiram atingir esse marco.

obstáculos

É muito difícil focar todo o espectro visível da luz (incluindo a cor branca) num ponto, principalmente porque diferentes comprimentos de onda viajam a velocidades diferentes através dos materiais. Por exemplo, a luz azul irá mais devagar que a vermelha, então essas duas cores chegarão a um determinado ponto em momentos diferentes, tornando os focos diferentes e distorcendo a imagem. Essa distorção é chamada de aberrações cromáticas.

Para ajustar essas aberrações, todos os dispositivos ópticos utilizam duas ou mais lentes curvas com espessuras distintas, acrescentando volume ao instrumento.

Metalenses e Design

As Metalenses têm diversas vantagens sobre as lentes convencionais – são fáceis de fabricar, finas e econômicas. A equipe de pesquisa aproveitou essas vantagens em todo o espectro visível da luz.

Os novos metalens usam nanofins de dióxido de titânio que focam todos os comprimentos de onda da luz igualmente, eliminando a aberração cromática. Para fazer isso, os pesquisadores pegaram algumas ideias de estudos anteriores que demonstram que diferentes comprimentos de onda poderiam ser focados em um determinado ponto ajustando a largura, a altura, a distância e o formato das nanoaletas.

Microscópio eletrônico mostrando vista lateral de metalens, barra de escala – 200 nm | Laboratório Capasso/Havard SEAS

No novo design, nanofins emparelhados controlam simultaneamente a velocidade de comprimentos de onda distintos e o índice de refração da superfície dos metalens. Isto proporciona atrasos variáveis ​​nos comprimentos de onda que passam por diferentes aletas, de forma que todas as luzes cheguem ao ponto focal no mesmo momento.

A velocidade da luz no material nanoestruturado pode ser ajustada pela fusão de duas nanofins em um elemento. Diminui significativamente a espessura e também a complexidade do design em comparação com lentes acromáticas.

Especificamente, a equipe demonstrou focagem acromática limitada por difração e imagens de 470 a 760 nanômetros. Os novos metalens contêm apenas uma única camada de nanoestruturas com uma espessura da ordem do comprimento de onda e não envolvem multiplexação espacial ou cascata.

O mesmo princípio de design poderia ser aplicado a outras regiões do espectro eletromagnético. A realização de metalenses acromáticos com diâmetros maiores e aberturas numéricas maiores requer uma faixa mais ampla de atraso de grupo suportada por múltiplas combinações de nanoaletas com dimensões diferentes. Isto poderia ser realizado por diferentes técnicas de dispersão ou simplesmente aumentando a altura das nanoaletas.

Metais planos | Crédito da imagem:Jared Sisler/Harvard SEAS

Nesta pesquisa, nanoestruturas de dióxido de titânio foram demonstradas com aproximadamente 4,5 micrômetros de altura, correspondendo a um atraso de grupo de cerca de 37 femtossegundos (10-15 segundos).

Referência:Nanotecnologia da Natureza | doi:10.1038/s41565-017-0034-6 | MAR de Harvard

Camadas em cascata de metalenses podem aumentar ainda mais o atraso do grupo, o que introduz um grau adicional de liberdade para corrigir aberrações monocromáticas dentro de um grande campo de visão. Uma vez também pode fundir uma metalens que atua como um corretor de aberração com uma lente esférica refrativa.

Parece promissor, pois seria capaz de corrigir simultaneamente as aberrações cromáticas e monocromáticas da lente esférica, aproveitando ao mesmo tempo os benefícios de uma abertura maior da lente e uma pequena mudança na distância focal cromática.

O que vem a seguir?

Harvard já licenciou a tecnologia para uma startup desenvolvê-la em nível comercial e protegeu a propriedade intelectual do projeto.

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As pesquisas agora visam aumentar o diâmetro da lente para 1 centímetro, o que pode abrir um novo leque de possibilidades, incluindo aplicações em litografia, microscopia, endoscopia, realidade virtual e mista.