Ljus av olika färger färdas med olika hastigheter i olika material och strukturer. Det är därför vi ser vitt ljus delas upp i sina ingående färger efter att ha bryts genom ett prisma, ett fenomen som kallas dispersion. En vanlig lins kan inte fokusera ljus av olika färger till en enda punkt på grund av dispersion. Detta innebär att olika färger aldrig är i fokus samtidigt, och så en bild som bildas av en så enkel lins är oundvikligen suddig. Konventionella bildsystem löser detta problem genom att stapla flera linser, men denna lösning kommer till priset av ökad komplexitet och vikt.

Columbia Engineering-forskare har skapat den första platta linsen som på ett korrekt sätt kan fokusera ett stort antal färger av vilken polarisation som helst till samma brännpunkt utan att behöva några ytterligare element. Endast en mikron tjock, deras revolutionerande "platta" lins är mycket tunnare än ett pappersark och erbjuder prestanda som är jämförbar med toppmoderna sammansatta linssystem. Resultatet av teamet, ledd av Nanfang Yu, docent i tillämpad fysik, beskrivs i en ny studie, publicerad idag av Ljus:Vetenskap och tillämpningar .

En konventionell lins fungerar genom att dirigera allt ljus som faller på den genom olika banor så att hela ljusvågen kommer till brännpunkten samtidigt. Den är tillverkad för att göra det genom att lägga till en ökande mängd fördröjning till ljuset när det går från kanten till linsens mitt. Det är därför en konventionell lins är tjockare i mitten än i kanten.

Med målet att uppfinna en thinner, lättare, och billigare objektiv, Yus team tog ett annat tillvägagångssätt. Genom att använda sin expertis inom optiska "metasytor" - konstruerade tvådimensionella strukturer - för att kontrollera ljusutbredning i fritt utrymme, forskarna byggde platta linser gjorda av pixlar, eller "meta-atomer". Varje metaatom har en storlek som bara är en bråkdel av ljusets våglängd och fördröjer ljuset som passerar genom den med en annan mängd. Genom att mönstra ett mycket tunt platt lager av nanostrukturer på ett substrat så tunt som ett människohår, forskarna kunde uppnå samma funktion som ett mycket tjockare och tyngre konventionellt linssystem. Med blicken mot framtiden, de förutser att meta-linserna kan ersätta skrymmande linssystem, jämförbart med hur platt-TV-apparater har ersatt katodstrålerör-TV.

"Det fina med vår platta lins är att genom att använda metaatomer av komplexa former, det ger inte bara den korrekta fördröjningsfördelningen för en enda ljusfärg utan också för ett kontinuerligt ljusspektrum, " säger Yu. "Och eftersom de är så tunna, de har potential att drastiskt minska storleken och vikten på alla optiska instrument eller enheter som används för bildbehandling, som kameror, mikroskop, teleskop, och även våra glasögon. Tänk på ett par glasögon med en tjocklek som är tunnare än ett pappersark, smartphonekameror som inte buktar ut, tunna fläckar av bild- och avkänningssystem för förarlösa bilar och drönare, och miniatyriserade verktyg för medicinsk bildbehandling."

Yus team tillverkade meta-linserna med standard 2-D plana tillverkningstekniker liknande de som används för att tillverka datorchips. De säger att processen att masstillverka metalinser borde vara mycket enklare än att producera datorchips, eftersom de bara behöver definiera ett lager av nanostrukturer – i jämförelse, moderna datorchips behöver många lager, några så många som 100. Fördelen med de platta meta-linserna är att, till skillnad från konventionella linser, de behöver inte gå igenom de kostsamma och tidskrävande slip- och poleringsprocesserna.

"Tillverkningen av våra platta linser kan parallelliseras massivt, ger stora mängder högpresterande och billiga linser, " noterar Sajan Shrestha, en doktorand i Yus grupp som var medförfattare till studien. "Vi kan därför skicka våra linsdesigner till halvledargjuterier för massproduktion och dra nytta av stordriftsfördelar som är inneboende i branschen."

Eftersom den platta linsen kan fokusera ljus med våglängder från 1,2 till 1,7 mikron i det nära-infraröda till samma brännpunkt, det kan bilda "färgglada" bilder i det nära-infraröda bandet eftersom alla färger är i fokus samtidigt – nödvändigt för färgfotografering. Linsen kan fokusera ljus i vilket som helst godtyckligt polarisationstillstånd, så att det inte bara fungerar i en labbmiljö, där polariseringen kan kontrolleras väl, men också i verkliga tillämpningar, där omgivande ljus har slumpmässig polarisering. Det fungerar även för genomsläppt ljus, bekväm att integrera i ett optiskt system.

"Vår designalgoritm förbrukar alla grader av frihet när det gäller att skulptera ett gränssnitt till ett binärt mönster, och, som ett resultat, våra platta linser kan nå prestanda som närmar sig den teoretiska gränsen som ett enda nanostrukturerat gränssnitt möjligen kan uppnå, "Adam Overvig, studiens andra huvudförfattare och även en doktorand med Yu, säger. "Faktiskt, vi har visat några platta linser med de bästa teoretiskt möjliga kombinerade egenskaperna:för en given meta-linsdiameter, vi har uppnått den tätaste brännpunkten över det största våglängdsområdet."

Tillägger University of Pennsylvania H. Nedwill Ramsey Professor Nader Engheta, en expert inom nanofotonik och metamaterial som inte var involverad i denna studie:"Detta är ett elegant arbete från professor Nanfang Yus grupp och det är en spännande utveckling inom området för platt optik. Denna akromatiska meta-lins, som är det senaste inom teknik för metasytor, kan öppna dörrar till nya innovationer i en mångfald applikationer som involverar bildbehandling, avkänning, och kompaktkamerateknik."

Nu när metalinserna som byggts av Yu och hans kollegor närmar sig prestandan för högkvalitativa bildlinsuppsättningar, med mycket mindre vikt och storlek, teamet har en annan utmaning:att förbättra linsernas effektivitet. De platta linserna är för närvarande inte optimala eftersom en liten del av den infallande optiska effekten antingen reflekteras av den platta linsen, eller utspridda i oönskade riktningar. Teamet är optimistiskt att frågan om effektivitet inte är grundläggande, och de är upptagna med att uppfinna nya designstrategier för att ta itu med effektivitetsproblemet. De för också samtal med industrin om att vidareutveckla och licensiera tekniken.

Studien har titeln "Bredbandsakromatiska dielektriska metaller."