Polerat glas har varit i centrum för bildbehandlingssystem i århundraden. Deras exakta krökning gör det möjligt för linser att fokusera ljus och producera skarpa bilder, om objektet som visas är en enskild cell, sidan i en bok, eller en avlägsen galax.

Att ändra fokus för att se tydligt på alla dessa skalor kräver vanligtvis att en lins flyttas fysiskt, genom att luta, glidande, eller på annat sätt flytta linsen, vanligtvis med hjälp av mekaniska delar som ökar huvuddelen av mikroskop och teleskop.

Nu har MIT-ingenjörer tillverkat en avstämbar "metaller" som kan fokusera på objekt på flera djup, utan förändringar av dess fysiska position eller form. Linsen är inte gjord av massivt glas utan av ett transparent "fasskiftande" material som, efter uppvärmning, kan omordna sin atomära struktur och därigenom förändra hur materialet interagerar med ljus.

Forskarna etsade materialets yta med små, exakt mönstrade strukturer som samverkar som en "metayta" för att bryta eller reflektera ljus på unika sätt. När materialets egenskaper förändras, metaytans optiska funktion varierar därefter. I detta fall, när materialet är i rumstemperatur, metaytan fokuserar ljus för att generera en skarp bild av ett föremål på ett visst avstånd. Efter att materialet har värmts upp, dess atomstruktur förändras, och som svar, metaytan omdirigerar ljus för att fokusera på ett mer avlägset objekt.

På det här sättet, de nya aktiva "metallerna" kan ställa in sitt fokus utan behov av skrymmande mekaniska element. Den nya designen, vilka för närvarande bilder inom det infraröda bandet, kan möjliggöra smidigare optiska enheter, t.ex. värmekikare i miniatyr för drönare, ultrakompakta värmekameror för mobiltelefoner, och mörkerglasögon med låg profil.

"Vårt resultat visar att vår ultratunna avstämbara lins, utan rörliga delar, kan uppnå aberrationsfri avbildning av överlappande objekt placerade på olika djup, konkurrerar med traditionella, skrymmande optiska system, säger Tian Gu, en forskare vid MIT:s materialforskningslaboratorium.

Gu och hans kollegor har publicerat sina resultat i dag i tidskriften Naturkommunikation . Hans medförfattare inkluderar Juejun Hu, Mikhail Shalaginov, Yifei Zhang, Fan Yang, Peter Su, Carlos Rios, Qingyang Du, och Anuradha Agarwal vid MIT; Vladimir Liberman, Jeffrey Chou, och Christopher Roberts från MIT Lincoln Laboratory; och medarbetare vid University of Massachusetts i Lowell, University of Central Florida, och Lockheed Martin Corporation.

En materialjustering

Den nya linsen är gjord av ett fasskiftande material som teamet tillverkade genom att justera ett material som vanligtvis används i omskrivbara CD- och DVD-skivor. Kallas GST, den består av germanium, antimon, och tellur, och dess inre struktur förändras när den värms upp med laserpulser. Detta gör att materialet kan växla mellan genomskinligt och ogenomskinligt tillstånd - mekanismen som gör att data som lagras på CD-skivor kan skrivas, torkade bort, och omskriven.

Tidigare i år, forskarna rapporterade att de lade till ytterligare ett element, selen, till GST för att göra ett nytt fasförändrande material:GSST. När de värmde upp det nya materialet, dess atomstruktur förändrades från en amorf, slumpmässig härva av atomer till en mer ordnad, kristallin struktur. Denna fasförskjutning förändrade också hur infrarött ljus färdades genom materialet, påverkar brytningskraften men med minimal inverkan på transparensen.

Teamet undrade om GSST:s växlingsförmåga kunde skräddarsys för att rikta och fokusera ljus på specifika punkter beroende på dess fas. Materialet skulle då kunna fungera som en aktiv lins, utan att mekaniska delar behöver flytta fokus.

"I allmänhet när man gör en optisk enhet, det är mycket utmanande att finjustera dess egenskaper efter tillverkning, " säger Shalaginov. "Det är därför att ha den här typen av plattform är som en helig gral för optiska ingenjörer, som gör att [the metalens] kan byta fokus effektivt och över ett stort område."

I den varma stolen

I konventionella linser, glaset är exakt böjt så att inkommande ljusstråle bryts från linsen i olika vinklar, konvergerar vid en punkt på ett visst avstånd, känd som objektivets brännvidd. Linserna kan sedan producera en skarp bild av alla föremål på just det avståndet. För att avbilda objekt på ett annat djup, linsen måste fysiskt flyttas.

Istället för att förlita sig på ett materials fasta krökning för att rikta ljus, forskarna försökte modifiera GSST-baserade metalens på ett sätt så att brännvidden ändras med materialets fas.

I deras nya studie, de tillverkade ett 1 mikron tjockt lager av GSST och skapade en "metayta" genom att etsa GSST-lagret till mikroskopiska strukturer av olika former som bryter ljus på olika sätt.

"Det är en sofistikerad process att bygga metaytan som växlar mellan olika funktioner, och kräver noggrann ingenjörskonst av vilken typ av former och mönster som ska användas, " säger Gu. "Genom att veta hur materialet kommer att bete sig, vi kan designa ett specifikt mönster som kommer att fokusera på en punkt i det amorfa tillståndet, och ändra till en annan punkt i den kristallina fasen."

De testade den nya metalensen genom att placera den på en scen och belysa den med en laserstråle inställd på det infraröda ljusbandet. På vissa avstånd framför linsen, de placerade genomskinliga föremål sammansatta av dubbelsidiga mönster av horisontella och vertikala staplar, känd som upplösningsdiagram, som vanligtvis används för att testa optiska system.

Linsen, i sin initiala, amorft tillstånd, gav en skarp bild av det första mönstret. Teamet värmde sedan upp linsen för att omvandla materialet till en kristallin fas. Efter övergången, och med värmekällan borttagen, linsen gav en lika skarp bild, den här gången för andra, längre uppsättning stänger.

"Vi demonstrerar bildbehandling på två olika djup, utan någon mekanisk rörelse, " säger Shalaginov.

Experimenten visar att en metalens aktivt kan ändra fokus utan några mekaniska rörelser. Forskarna säger att en metalens potentiellt skulle kunna tillverkas med integrerade mikrovärmare för att snabbt värma upp materialet med korta millisekundspulser. Genom att variera uppvärmningsförhållandena, de kan också ställa in andra materials mellanlägen, möjliggör kontinuerlig fokalinställning.

"Det är som att laga en biff - man utgår från en råbiff, och kan gå upp till bra gjort, eller kan göra medium rare, och allt annat däremellan, ", säger Shalaginov. "I framtiden kommer denna unika plattform att tillåta oss att godtyckligt kontrollera metallens brännvidd."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.