Une nouvelle approche de la fabrication d'objectifs multicolores pourrait inspirer une nouvelle génération d'optiques minuscules, bon marché et puissantes pour des appareils portables tels que les téléphones et les drones.
La conception utilise des couches de métamatériaux pour concentrer simultanément une gamme de longueurs d'onde à partir d'une source non polarisée et sur un grand diamètre, surmontant une limitation majeure de métallures, a déclaré le premier auteur de l'article signalant la conception, Joshua Jordaan, de la Research School of Physics de l'Australian National University et de l'Arc Center of Excellence pour les systèmes méta-optiques transformateurs (TMOS).
« Notre conception a de nombreuses fonctionnalités qui le rendent applicable aux appareils pratiques. »
« Il est facile à fabriquer car il a un rapport d'aspect faible et chaque couche peut être fabriquée individuellement puis emballée ensemble. Il est également insensible à la polarisation, et est potentiellement évolutif via des plateformes de nanofabrication semi-conductrices matures », a déclaré Jordaan.
Le projet était dirigé par des chercheurs de l'Université Friedrich Schiller Jena en Allemagne dans le cadre du groupe international de formation de recherche Meta-Aactive. Le document déclarant leur conception est publié dans Optics Express.
Les métallunes ont une épaisseur de simples fractions de la largeur d'un cheveux, qui est des ordres de grandeur plus mince que les lentilles conventionnelles. Ils peuvent être conçus pour avoir des propriétés telles que des focales qui seraient incroyablement courtes pour l'optique conventionnelle.
Initialement, l'équipe a tenté de concentrer plusieurs longueurs d'onde avec une seule couche, mais elle a affronté certaines contraintes fondamentales, a déclaré Jordaan.
« Il s'avère que le retard maximum en groupe réalisable dans une métasurface unique a des limitations physiques, et celles-ci ont à leur tour fixé des limites supérieures sur le produit de l'ouverture numérique, du diamètre physique et de la bande passante de fonctionnement. »
« Pour travailler sur la gamme de longueurs d'onde dont nous avions besoin, une seule couche devrait soit avoir un très petit diamètre, qui vaincrait le but de la conception, soit au fond une ouverture numérique si faible qu'elle ne concentre guère la lumière », a-t-il déclaré.
« Nous avons réalisé que nous avions besoin d'une structure plus complexe, ce qui a ensuite conduit à une approche multicouche. »
La conception s'est déplacée pour incorporer plusieurs couches de métalaux, l'équipe a abordé le problème avec un algorithme de conception inverse basé sur l'optimisation de la forme, avec une paramétrisation qui signifiait beaucoup de degrés de liberté.
Ils ont guidé le logiciel pour rechercher des formes de métasurface qui, pour une seule longueur d'onde, ont créé des résonances simples dans le dipôle électrique et magnétique, appelé résonances Huygens.
En utilisant des résonances, l'équipe a pu améliorer les conceptions précédentes par d'autres groupes et développer des conceptions de métalaux qui étaient indépendantes de la polarisation et avaient de plus grandes tolérances dans les spécifications de fabrication – cruciale dans la quête de la fabrication d'échelle en quantités industrielles.
La routine d'optimisation a créé une bibliothèque d'éléments de métamatériaux dans une gamme surprenante de formes, telles que des carrés arrondis, des trèfles et des propertise à quatre feuilles.
Ces minuscules formes, d'environ 300 nm de hauteur et 1 000 nm de large, ont duré toute la gamme de phase de phase, de zéro à deux PI, permettant à l'équipe de créer une carte de gradient de phase pour atteindre tout modèle de focalisation arbitraire – bien qu'ils aient initialement visé à une simple structure en anneau d'un objectif conventionnel.
« Nous pourrions, par exemple, concentrer différentes longueurs d'onde dans différents endroits pour créer un routeur de couleur », a déclaré Jordaan.
Cependant, l'approche multicouche est limitée à un maximum d'environ cinq longueurs d'onde différentes, a déclaré Jordaan.
« Le problème est que vous avez besoin de structures suffisamment grandes pour résonner à la longueur d'onde la plus longue, sans se diffuser des longueurs d'onde plus courtes », a-t-il déclaré.
Au sein de ces contraintes, Jordaan a déclaré que la capacité de fabriquer des métaux pour collecter beaucoup de lumière sera une aubaine pour les futurs systèmes d'imagerie portable.
« Les métallages que nous avons conçus seraient idéaux pour les drones ou les satellites d'observation terrestre, car nous avons essayé de les rendre aussi petits et légers que possible », a-t-il déclaré.
