En ultratunn optisk lins gjord av ett monolager av tvådimensionella övergångsmetalldikalkogenider (TMDC) kan bana väg för nästa generations bildbehandlingsenheter. Ett internationellt team av forskare, ledd av Prof. Baohua Jia från Swinburne University of Technology i Australien, använde femtosekundlaserskrivning för att mönstra nanopartiklar på TMDC-kristaller. Objektivet har en sub-våglängdsupplösning och en tredimensionell fokuseringseffektivitet på 31 %, lägga grunden för optiska enheter för användning i nanooptik och fotoniska tillämpningar på chip.

Linser är en av de mest använda optiska komponenterna i det dagliga livet, inklusive glasögon, mikroskopiska mål, förstoringsglas, och kameralinser. Konventionella linser är baserade på principen om ljusbrytning, använda olika material, sfäriska ytor och rumsliga positioner för att uppnå kontroll av ljus. Tillverkning av konventionella linser inklusive processerna för materialval, skärande, grov slipning, finslipning, putsning, och testning. För att minimera aberrationerna inklusive den kromatiska aberrationen, sfärisk aberration och astigmatism, det är nödvändigt att stapla flera lager av linser för att bilda sammansatta linser, vilket leder till komplexiteten och krångligheten hos nuvarande kamerautrustning.

Därför, enorma ansträngningar har ägnats åt utvecklingen av ultratunna platta linser. Till skillnad från konventionella linser, platta linser använder nanostrukturer för att modulera ljus. Genom att kontrollera de optiska egenskaperna och den rumsliga positionen för varje nanoelement, avancerade funktioner, såsom akromatisk och aberrationsfri fokusering, hög rumslig upplösning och speciella fokalintensitetsfördelningar kan uppnås. Dock, när materialtjockleken reduceras till subvåglängdsskalan, den otillräckliga fas- eller amplitudmoduleringen baserad på det inre brytningsindexet och absorptionen av materialen resulterar i dålig linsprestanda.

I en ny tidning publicerad i Ljusvetenskap och tillämpningar , ett team av forskare, leds av Prof. Baohua Jia vid Center for Translational Atomaterials, Swinburne University of Technology, Australien, Prof. Qiaoliang Bao tidigare vid Monash University, Prof. Chengwei Qiu vid National University of Singapore och medarbetare har utvecklat en innovativ metod för att tillverka högpresterande linser i monolager tvådimensionellt övergångsmetalldikalkogenidmaterial (TMDC) genom att använda en femtosekundlaser för att mönstra nanopartiklar. Objektivet har en sub-våglängdsupplösning och en fokuseringseffektivitet på 31 %, lägger grunden för ytterst tunna optiska enheter för användning i nanooptik och fotoniska tillämpningar på chip.

Även om linser gjorda av flerlagers TMDC har visats tidigare, när deras tjocklek reduceras till subnanometerskalan, deras otillräckliga fas- eller amplitudmodulering resulterar i fokuseringseffektiviteter på mindre än 1 %. Det internationella teamet upptäckte att det är möjligt att generera nanopartiklar genom att använda en femtosekundlaserstråle för att interagera med monolager TMDC-materialet, vilket skiljer sig väsentligt från den process som produceras av en kontinuerlig våglaser. När laserpulsen är så kort att hela materialet förblir kallt efter laserprocessen, nanopartiklarna kan fästa ordentligt på substratet. Nanopartiklarna visar mycket stark spridning för att modulera ljusets amplitud. Därför, linsen gjord av nanopartiklar kan ge subvåglängdsupplösning och hög effektivitet, vilket gör att teamet kan demonstrera diffraktionsbegränsad avbildning genom att använda linserna.

Ett monolager är den tunnaste formen av ett material, vilket är den ultimata fysiska tjockleksgränsen. Genom att använda monoskiktet för linstillverkningen, den process som visades i denna studie förbrukade det minsta materialet som uppfyllde den teoretiska begränsningen. Mer viktigt, femtosekundlasertillverkningstekniken är en enkel process i ett steg, utan krav på högvakuum eller speciell miljö, det ger det enklaste sättet att tillverka en ultratunn platt lins. Som ett resultat, linsen kan enkelt integreras i alla fotoniska eller mikrofluidiska enheter för breda tillämpningar.

"Vi har använt det tunnaste materialet i världen för att tillverka en platt lins, och bevisa att den ultratunna linsens goda prestanda kan leda till högupplöst bildbehandling. Det visar en enorm potential i olika applikationer, som glasögon, mikroskopi linser, teleskop och kameralinser. Det är förutsägbart att genom att använda denna teknik, vikten och storleken på kameralinser kan reduceras avsevärt inom en snar framtid, " sa Dr Han Lin, den första författaren från Center for Translational Atomaterials, Swinburne University of Technology.

"Vi är glada över att se detta unika resultat från femtosekundlaserbearbetning av 2D-material. Det öppnar upp nya möjligheter för att tillverka fotoniska enheter med en skalbar metod, " lagt till av Prof. Baohua Jia, Direktör för Center for Translational Atomaterials.

"Vi kan integrera enskiktslinsen i 2D material på önskade enheter genom att helt enkelt fästa materialet och sedan använda en femtosekundlaser för att utföra tillverkningen. Hela processen är enkel, och metoden är flexibel och låg kostnad. Således, vi ser också den stora tillämpningspotentialen med metoden, " kommenterade prof. Qiaoliang Bao tidigare vid Monash University.

"Vi designar vår lins på ett sådant sätt att bilden kan hittas i olika fokalplan, med olika förstoringar. Denna mekanism kan lätt användas för att utveckla en optisk zoomlins för användning i mobiltelefonkameror. För närvarande, objektiv med olika brännvidder används för att uppnå olika zoomfunktioner. Dock, våra objektiv kan uppnå olika zoomhastigheter helt enkelt med en design, " avslutade Prof. Chengwei Qiu från National University of Singapores prognoser.