Le Flat‑Surface Metalens de Harvard élimine l’aberration chromatique et révolutionne la réalité virtuelle

• Des chercheurs de Harvard ont développé des métaux capables de focaliser tous les spectres de lumière visible en un point particulier en haute résolution.
• Il utilise des nanofines de dioxyde de titane qui concentrent toutes les longueurs d'onde de la lumière de manière égale, éliminant ainsi l'aberration chromatique.
• Metalens ouvre une nouvelle gamme de possibilités, notamment des applications en lithographie, microscopie, endoscopie, réalité virtuelle et mixte.

Un metalens est une lentille à surface plane qui utilise des nanostructures pour focaliser la lumière. Il offre tout le potentiel pour remplacer la lentille épaisse et incurvée existante. Cependant, il reste limité dans le spectre lumineux sur lequel il peut se concentrer avec précision.

Des chercheurs de la Harvard John A.Paulson School of Engineering and Applied Sciences ont créé un nouveau métal qui est suffisamment capable de focaliser tous les spectres de lumière visible en un endroit particulier en haute résolution. Jusqu'à présent, cela n'a été possible qu'en empilant deux objectifs traditionnels ou plus.

Cela a rapproché les chercheurs de l'intégration de lentilles fines dans des dispositifs optiques habituels et avancés, notamment des appareils photo, des appareils de réalité augmentée et virtuelle. Découvrons en détail comment les chercheurs de Harvard ont réussi à franchir cette étape.

Obstacles

Il est très difficile de focaliser l’ensemble du spectre visible de la lumière (y compris la couleur blanche) en un seul point, principalement parce que différentes longueurs d’onde se propagent à des vitesses différentes à travers les matériaux. Par exemple, la lumière bleue ira plus lentement que la rouge, donc ces deux couleurs arriveront à un point donné à des moments différents, rendant les foyers différents et déformant l'image. Cette distorsion est appelée aberrations chromatiques.

Afin d'ajuster ces aberrations, tous les appareils optiques utilisent au moins deux lentilles incurvées d'épaisseurs distinctes, ajoutant du volume à l'instrument.

Métalenses et design

Les lentilles Metalenses présentent plusieurs avantages par rapport aux lentilles conventionnelles :elles sont faciles à fabriquer, fines et économiques. L'équipe de recherche a exploité ces avantages sur l'ensemble du spectre visible de la lumière.

Le nouveau métal utilise des nanofins de dioxyde de titane qui concentrent toutes les longueurs d'onde de la lumière de manière égale, éliminant ainsi l'aberration chromatique. Pour ce faire, les chercheurs ont repris quelques idées d'une étude précédente démontrant que différentes longueurs d'onde pouvaient être focalisées en un point donné en ajustant la largeur, la hauteur, la distance et la forme des nanopalmes.

Microscope électronique montrant une vue latérale des métaux, barre d'échelle – 200 nm | Laboratoire Capasso/Havard SEAS

Dans la nouvelle conception, des nanofins appariées contrôlent simultanément la vitesse de longueurs d'onde distinctes et l'indice de réfraction de la surface des métaux. Cela donne des délais variables aux longueurs d'onde passant à travers différentes ailettes, de manière à ce que toutes les lumières arrivent au point focal au même moment.

La vitesse de la lumière dans le matériau nanostructuré peut être ajustée en fusionnant deux nanofins en un seul élément. Il réduit considérablement l'épaisseur ainsi que la complexité de conception par rapport aux lentilles achromatiques.

Plus précisément, l’équipe a démontré une focalisation et une imagerie achromatiques limitées par la diffraction de 470 à 760 nanomètres. Les nouveaux métaux ne contiennent qu'une seule couche de nanostructures d'une épaisseur de l'ordre de la longueur d'onde et n'impliquent pas de multiplexage spatial ni de cascade.

Le même principe de conception pourrait être appliqué à d’autres régions du spectre électromagnétique. La réalisation de lentilles métalliques achromatiques avec des diamètres plus grands et des ouvertures numériques plus grandes nécessite une plage de retard de groupe plus large prise en charge par de multiples combinaisons de nanofins de différentes dimensions. Ceci pourrait être réalisé par différentes techniques de dispersion ou simplement en augmentant la hauteur des nanofins.

Métal plat | Crédit image :Jared Sisler/Harvard SEAS

Dans cette recherche, des nanostructures de dioxyde de titane ont été démontrées avec une hauteur d'environ 4,5 micromètres correspondant à un retard de groupe d'environ 37 femtosecondes (10 à 15 secondes).

Référence :Nature Nanotechnologie | est ce que je:10.1038/s41565-017-0034-6 | SEAS de Harvard

Des couches de lentilles métalliques en cascade pourraient encore augmenter le retard de groupe, ce qui introduit un degré de liberté supplémentaire pour corriger les aberrations monochromatiques dans un large champ de vision. Once peut également fusionner un métal qui agit comme un correcteur d'aberration avec une lentille sphérique réfractive.

Cela semble prometteur car il serait possible de corriger simultanément les aberrations chromatiques et monochromatiques de la lentille sphérique, tout en tirant parti des avantages d'une plus grande ouverture de l'objectif et d'un petit décalage de distance focale chromatique.

Quelle est la prochaine étape ?

Harvard a déjà accordé une licence pour la technologie à une startup pour la développer à un niveau commercial et a protégé la propriété intellectuelle du projet.

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Les recherches visent désormais à augmenter le diamètre de la lentille à 1 centimètre, ce qui pourrait ouvrir un nouvel éventail de possibilités, notamment des applications en lithographie, microscopie, endoscopie, réalité virtuelle et mixte.