Platt optik är gjord av nanostrukturer som innehåller material med högt brytningsindex för att producera linser med tunna formfaktorer som endast fungerar vid specifika våglängder.
Materialforskare har nyligen försökt åstadkomma akromatiska linser för att avslöja en avvägning mellan den numeriska bländaren och bandbredden som begränsar prestandan hos sådana material. I detta arbete föreslog Cheng-Feng Pan och ett team av forskare inom teknisk produktutveckling, informationsteknologi och datorteknik i Singapore och Kina ett nytt tillvägagångssätt för att designa hög numerisk apertur, bredband och polarisationsokänsliga flerskiktiga akromatiska metallener.
Materialforskarna kombinerade topologioptimering och fullvåglängdssimuleringar för att omvänt designa metallenserna med tvåfotonlitografi. Forskargruppen demonstrerade bredbandsavbildningsprestanda för de konstruerade strukturerna under vitt ljus och rött, grönt och blått smalbandsbelysning.
Resultaten belyste kapaciteten hos de 3D-printade flerskiktsstrukturerna för att realisera bredband och multifunktionella metaenheter. Resultaten publiceras nu på Science Advances och visas på tidskriftens försättsblad.
De senaste framstegen inom metalenses i mikro- och makroskala har visat betydelse för att uppnå anmärkningsvärd bildprestanda som lämpar sig för en mängd olika tillämpningar inom ljusfältsavbildning, bioanalys, medicin och kvantteknologier. Till exempel visar akromatiska linser bredbandssvar för att fånga färginformation, för att utöka designmöjligheterna och tillämpningsscenarionerna för fotoniska enheter.
Sådana konstruktioner är ultrakompakta, ultratunna, lätta och väl lämpade för att göra övertygande metaller för bildsystem. De flesta metalenser är dock mönstrade i material med högt brytningsindex för att ge bra optisk kontroll, med ett starkt ljus som gör bredbandsimplementering utmanande.
Fysiker har visat Abbe-talet som en meritvärde i linsdesign för att representera ett dispersionsfritt transparent material som vanligtvis används för material med högt brytningsindex och som en formel för att realisera en högeffektiv fokuseringslins.
3D-utskriftsmetoden
Forskargruppen lyfte tillverkningsutmaningarna bakom flerskiktiga akromatiska metallener genom att använda tredimensionell utskrift. Nanoskala 3D-utskriftsmetoden möjliggjorde mönstring av en flerskiktslins i ett litografiskt steg för att snabbt prototyper av komplexa strukturer. Med hjälp av tvåfotonpolymerisation realiserade forskarna en mängd olika 3D-designer, inklusive komplexa mikrolinser, gradientindexlinser och diffraktiva linser.
I detta arbete använde Pan och kollegor topologioptimering för att uppnå akromatiskt linsbeteende. De uppnådde snabbt en stabil struktur med flera lager och hög upplösning.
De resulterande flerskiktiga akromatiska metalenses visade hittills okända nivåer av effektiv prestanda för att integrera fördelarna med högupplöst 3D-utskrift i nanoskala för att skapa metalenses med exceptionell prestanda för att inspirera ett nytt paradigm för att designa och tillverka multifunktionella bredbandsoptiska element och enheter.
Den primära skillnaden mellan multilevel metalens och multilevel diffraktiva linser är storleken på den minsta egenskapen.
Till exempel, även om minimistorleken kan utformas för att passa en specifik dimension, krävs helvågssimuleringar för att ta hänsyn till interskiktsinteraktioner och spridning. Genom att använda filtrerings- och binariseringssteg förvandlade forskarna den designade strukturen till en riktig konstruktion.
Teamet utsatte proverna för topologioptimering och bildade dem genom att använda Nanoscale GmbH fotoniska professionella 3D-utskriftssystem, med en galvoskannad fokuserad stråle för att inducera tvärbindning av ett flytande harts till en nanoskala fast voxel vid brännpunkten.
Forskarna optimerade tillverkningsmetoden för att uppnå en prototyp nära normal design och bedömde produktens bildkvalitet genom att placera den på ett upplösningsmål med ett avstånd på tre gånger brännvidden till målen.
De konstruerade metalenerna presterade bra under vitt ljus för akromatisk bildbehandling för att visa metallens oöverträffade kapacitet att ta bort kromatiska aberrationer. Forskarna optimerade parametrarna för att visa hur de flerskiktiga akromatiska metallenerna visade hög fokuseringseffektivitet med bredbandsprestanda och topologisk optimering för att exakt realisera de designade metalenserna med nanoskalaegenskaper.
På detta sätt utvecklade Cheng-Feng Pan och forskargruppen ett flerskiktssystem av metallen och betraktade varje lager som en akromatisk korrigerare och fokuseringselement. Resultaten visade hur de staplade metasytorna som är baserade på material med lågt brytningsindex övervann gränserna för enkellagers platt optik för att utöka prestandan hos metalenses till bredbandsfunktioner samtidigt som den höga numeriska bländaren bibehölls.
Användningen av 3D-utskriftsmetoder med högre upplösning och hartser med högt brytningsindex kommer att bidra till ett ökat, multifunktionellt optiskt system som fungerar med ett bredbandssvarsområde utanför det synliga området för att innehålla ett nära eller mellaninfrarött område.
Mer information: Cheng-Feng Pan et al, 3D-printade flerskiktsstrukturer för akromatiska metallenses med hög numerisk apertur, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj9262
Ren Jie Lin et al, Achromatic metalens array for full-colour light-field imaging, Nature Nanotechnology (2019). DOI:10.1038/s41565-018-0347-0
Journalinformation: Nanoteknik , Vetenskapens framsteg
© 2023 Science X Network
