Une nouvelle technique permettant de créer des lentilles métalliques achromatiques et insensibles à la polarisation (BAPIML) à large bande a été introduite, luttant ainsi contre l’aberration chromatique trouvée dans les lentilles métalliques standard. La méthode utilise le critère de Rayleigh pour la résolution ponctuelle et les nanofins de matériaux à changement de phase. Ce développement recèle un potentiel pour des applications améliorées en optique et en imagerie.
En utilisant de nouveaux principes de conception différenciée, les chercheurs proposent un moyen d’éliminer l’aberration chromatique des métasurfaces.
Un contrôle précis de la lumière est une exigence cruciale en imagerie optique, en détection et en communication. Les objectifs traditionnels utilisés à cet effet présentent des limites, nécessitant des solutions plus précises et plus compactes. Pour répondre à ce besoin, les chercheurs ont développé des lentilles métalliques, des lentilles ultrafines construites à partir de nanomatériaux dont la taille est inférieure à la longueur d’onde de la lumière. Ces éléments de sous-longueur d’onde permettent de manipuler les ondes lumineuses avec une précision exceptionnelle, facilitant un contrôle précis de l’amplitude, de la phase, de la polarisation et de la direction des ondes lumineuses.
De plus, comparées aux lentilles volumineuses, les lentilles métalliques sont plus faciles à produire et conviennent parfaitement aux dispositifs optiques miniaturisés et hautement intégrés. Cependant, les éléments sub-longueur d’onde les rendent également sensibles à l’aberration chromatique. Il s’agit d’une condition dans laquelle lorsque la lumière traverse un métal, chaque longueur d’onde subit un déphasage différent lors de l’interaction avec les structures sous-longueur d’onde. En conséquence, les différentes couleurs ou longueurs d’onde de la lumière ne convergent pas au même point, ce qui entraîne une perte de focalisation et une qualité d’image réduite.
Des lentilles métalliques qui réduisent les aberrations chromatiques en focalisant la lumière de différentes longueurs d’onde au même point grâce à un agencement stratégique orthogonal ou parallèle des nanofins, NF1 et NF2, composés d’un matériau à changement de phase. Crédit : Tian et al., doi 10.1117/1.APN.2.5.056002
Maintenant, dans une nouvelle étude publiée dans Nexus photonique avancé, les chercheurs ont présenté une nouvelle approche pour créer des lentilles métalliques achromatiques à large bande et insensibles à la polarisation (BAPIML). Leur approche exploite le critère de Rayleigh pour la résolution ponctuelle, un principe fondamental en optique utilisé pour définir le détail minimum résoluble dans un système d’imagerie. « Les avancées scientifiques et techniques signalées sont remarquables car elles ouvrent la voie à la résolution de l’aberration chromatique dans les métasurfaces, un défi qui a entravé les progrès dans ce domaine », souligne le professeur Alex Krasnok, rédacteur en chef de la revue, de la Florida International University.
Selon le critère de Rayleigh pour la résolution ponctuelle, des sources ponctuelles rapprochées peuvent être résolues lorsque le centre du diagramme de diffraction produit par une source ponctuelle tombe sur le premier minimum du diagramme de diffraction d’une autre source ponctuelle. Lorsque les diagrammes de diffraction approchent de cette limite, les deux points deviennent impossibles à distinguer l’un de l’autre. Ce principe a joué un rôle déterminant dans la conception de télescopes et de microscopes permettant respectivement de distinguer les objets célestes et de capturer les moindres détails de minuscules spécimens. Dans cette étude, les chercheurs ont ingénieusement appliqué ce concept pour développer deux lentilles métalliques complémentaires qui fusionnent les points lumineux en un seul point focalisé.
Ils ont fabriqué les deux lentilles métalliques à l’aide de nanofins constituées d’un matériau à changement de phase, Ge2Sb2Se4Te1. Ces nanofins étaient disposées selon des orientations orthogonales ou parallèles les unes par rapport aux autres et conçues pour introduire un déphasage dans la lumière les traversant. L’une des nanofins agissait comme une lame demi-onde pour une longueur d’onde de 4 µm, tandis que l’autre servait de lame demi-onde pour une longueur d’onde de 5 µm.
Les lentilles métalliques, lorsqu’elles sont éclairées par la lumière, produisent deux points lumineux distincts focalisés sur des positions différentes. Cependant, en ajustant soigneusement les paramètres tels que le rayon et la distance focale des lentilles métalliques, les chercheurs ont réussi à fusionner les points lumineux en un seul point de focalisation avec une efficacité allant jusqu’à 43 %. En termes simples, les lentilles neutralisaient les aberrations chromatiques en focalisant la lumière de différentes longueurs d’onde au même point.
Enfin, les chercheurs démontrent la polyvalence de leur approche en générant un vortex optique de focalisation achromatique à large bande et insensible à la polarisation. « En termes simples, ce travail signifie que nous sommes sur la bonne voie pour créer des lentilles capables de mieux gérer la lumière sans distorsion et d’améliorer potentiellement diverses applications optiques », déclare le professeur Krasnok.
Cette nouvelle méthode de développement de BAPIML ouvre les portes à un large éventail d’applications améliorées d’imagerie et d’optique, notamment la détection moléculaire, la bioimagerie, les détecteurs et les écrans holographiques.
