Metalenses - plana ytor som använder nanostrukturer för att fokusera ljus - lovar att revolutionera optiken genom att ersätta den skrymmande, böjda linser som för närvarande används i optiska enheter med en enkel, plan yta. Men, dessa metallenses har förblivit begränsade i ljusspektrumet de kan fokusera väl. Nu har ett team av forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) utvecklat den första enda linsen som kan fokusera hela det synliga ljusspektrumet - inklusive vitt ljus - på samma plats och i hög upplösning. Detta har bara uppnåtts i konventionella linser genom att stapla flera linser.

Forskningen publiceras i Naturnanoteknik .

Att fokusera hela det synliga spektrumet och vitt ljus - kombinationen av alla spektrumets färger - är så utmanande eftersom varje våglängd rör sig genom material i olika hastigheter. Röda våglängder, till exempel, kommer att röra sig genom glaset snabbare än det blå, så de två färgerna når samma plats vid olika tidpunkter vilket resulterar i olika fokus. Detta skapar bildförvrängningar som kallas kromatiska aberrationer.

Kameror och optiska instrument använder flera böjda linser av olika tjocklek och material för att korrigera dessa avvikelser, som, självklart, lägger till huvuddelen av enheten.

"Metalenses har fördelar jämfört med traditionella linser, "säger Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering vid SEAS och senior författare till forskningen. "Metalenses är tunna, lätt att tillverka och kostnadseffektivt. Detta genombrott utökar dessa fördelar över hela det synliga ljusområdet. Det här är nästa stora steg. "

Harvard Office of Technology Development (OTD) har skyddat den immateriella äganderätten för detta projekt och undersöker kommersialiseringsmöjligheter.

Metallenserna utvecklade av Capasso och hans team använder matriser av titandioxid -nanofiner för att lika fokusera ljusets våglängder och eliminera kromatisk aberration. Tidigare forskning visade att olika våglängder av ljus kunde fokuseras men på olika avstånd genom att optimera formen, bredd, distans, och nanofinernas höjd. I denna senaste design, forskarna skapade enheter av parade nanofiner som styr hastigheten på olika våglängder av ljus samtidigt. De parade nanofinerna styr brytningsindexet på metasytan och är inställda för att resultera i olika tidsfördröjningar för ljuset som passerar genom olika fenor, se till att alla våglängder når brännpunkten samtidigt.

"En av de största utmaningarna när det gäller att designa en akromatisk bredbandslins är att se till att de utgående våglängderna från alla metallens olika punkter når fram till brännpunkten samtidigt, "sa Wei Ting Chen, en postdoktor på SEAS och första författare till tidningen. "Genom att kombinera två nanofiner till ett element, vi kan ställa in ljusets hastighet i det nanostrukturerade materialet, för att säkerställa att alla våglängder i det synliga fokuseras på samma plats, med en enda metall. Detta minskar dramatiskt tjocklek och designkomplexitet jämfört med sammansatta standardakromatiska linser. "

"Med vår akromatiska lins, vi kan prestera hög kvalitet, bild av vitt ljus. Detta för oss ett steg närmare målet att integrera dem i vanliga optiska enheter som kameror, "sa Alexander Zhu, medförfattare till studien.

Nästa, forskarna siktar på att skala upp linsen, till ca 1 cm i diameter. Detta skulle öppna en mängd nya möjligheter, till exempel applikationer i virtuell och augmented reality.