Forskare från Cornell Universitys School of Applied and Engineering Physics och Samsungs Advanced Institute of Technology har skapat en första i sitt slag metalens – en metamateriallins – som kan fokuseras med hjälp av spänning istället för att mekaniskt flytta dess komponenter.

proof of concept öppnar dörren till en rad kompakta varifokala linser för möjlig användning i många bildbehandlingsapplikationer som satelliter, teleskop och mikroskop, som traditionellt fokuserar ljus med hjälp av böjda linser som justeras med hjälp av mekaniska delar. I vissa applikationer, att flytta traditionella glas- eller plastlinser för att variera brännvidden är helt enkelt inte praktiskt på grund av utrymme, vikt eller storlek överväganden.

Metalenses är platta arrayer av nano-antenner eller resonatorer, mindre än en mikron tjock, som fungerar som fokuseringsanordningar. Men tills nu, när en metalens väl tillverkades, dess brännvidd var svår att ändra, enligt Melissa Bosch, doktorand och första författare till en artikel som beskriver forskningen i American Chemical Societys tidskrift Nanobokstäver .

Innovationen, utvecklat i samarbete mellan Samsung och Cornell-forskare, involverade att slå samman en metalens med den väletablerade teknologin för flytande kristaller för att skräddarsy metallens lokala fasrespons. Detta gjorde det möjligt för forskarna att variera metallens fokus på ett kontrollerat sätt genom att variera spänningen som applicerades över enheten.

"Denna kombination fungerade som vi hoppades och förutspådde att den skulle, sa Bosch, som arbetar i Gennady Shvets labb, professor i tillämpad och teknisk fysik och senior författare till uppsatsen. "Det resulterade i en ultratunn, elektriskt inställbart objektiv som kan zooma kontinuerligt och upp till 20 % total brännviddsförskjutning."

Samsungs forskare hoppas kunna utveckla tekniken för användning i augmented reality-glasögon, enligt Bosch. Hon ser många andra möjliga tillämpningar som att ersätta de optiska linserna på satelliter, rymdskepp, drönare, mörkerglasögon, endoskop och andra applikationer där utrymmes- och viktbesparing är prioriterade.

Maxim Shcherbakov, postdoktor i Shvets lab och motsvarande författare till uppsatsen, sa att forskare har gjort framsteg i att gifta flytande kristaller till nanostrukturer under det senaste decenniet, men ingen hade tillämpat denna idé på linser. Nu planerar gruppen att fortsätta projektet och förbättra prototypens kapacitet.

"Till exempel, "Sjtjerbakov sa, "den här linsen fungerar på en enda våglängd, röd, men det kommer att vara mycket mer användbart när det kan fungera över hela färgspektrumet – rött, grön, blå."

Forskargruppen Cornell utvecklar nu en multivåglängd varifokal version av metalens med den befintliga plattformen som utgångspunkt.

"Optimeringsproceduren för andra våglängder är mycket lik den för rött. På vissa sätt, det svåraste steget är redan avslutat, så nu är det bara en fråga om att bygga vidare på det arbete som redan gjorts, sa Bosch.