Badacze z Australian National University (ANU), ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS) oraz Friedrich Schiller University Jena w Niemczech ogłosili opracowanie nowej koncepcji metasoczewek zdolnych do jednoczesnego ogniskowania wielu długości fal światła. To osiągnięcie niweluje jedną z największych barier, z jakimi zmagała się dotąd metaoptyka. Wyniki pracy opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Optics Express.
Czytaj też: Inteligentne soczewki mogą śledzić ruchy gałek ocznych, a to nie koniec ich możliwości
Jak podkreśla pierwszy autor badania, Joshua Jordaan z ANU, kluczowe było zastosowanie architektury wielowarstwowej. Pojedyncza warstwa metasoczewki nie była w stanie obsłużyć odpowiednio szerokiego zakresu barw, gdyż wymagałoby to skrajnie małej średnicy soczewki albo bardzo niskiej apertury numerycznej, co praktycznie uniemożliwiałoby ogniskowanie. Dopiero połączenie kilku warstw pozwoliło na osiągnięcie stabilnych i użytecznych parametrów.
Soczewki z metamateriałów otwierają nową erę optyki
Metasoczewki różnią się od klasycznych tym, że nie bazują na zakrzywieniu szkła, ale na nanostrukturach manipulujących światłem w skali znacznie mniejszej od długości fali. Ich grubość to zaledwie ułamek szerokości ludzkiego włosa, co sprawia, że są niezwykle lekkie i ultracienkie. Dzięki temu nie tylko zajmują mniej miejsca, ale mogą oferować właściwości optyczne nieosiągalne dla tradycyjnych układów – jak bardzo krótkie ogniskowe czy precyzyjna kontrola fazy.
Czytaj też: Metamateriały jeszcze bardziej złożone niż obecnie. Pomaga uczenie maszynowe
To czyni je idealnymi kandydatami do zastosowania w urządzeniach przenośnych, gdzie każdy gram i każdy milimetr ma znaczenie. W smartfonach czy dronach miniaturowe metasoczewki mogłyby zastąpić obecne systemy wielosoczewkowe, zmniejszając rozmiary modułów kamer przy jednoczesnym zwiększeniu jakości obrazu.
Przełom nie byłby możliwy bez użycia zaawansowanych algorytmów odwrotnego projektowania, które analizują tysiące możliwych geometrii i wybierają te najlepiej spełniające zadane parametry. Naukowcy ukierunkowali oprogramowanie na poszukiwanie struktur zdolnych wywoływać rezonanse Huygensa, czyli jednoczesne wzbudzanie dipoli elektrycznych i magnetycznych.
W ten sposób powstała bogata biblioteka nanostruktur o rozmaitych kształtach – od zaokrąglonych kwadratów, przez czterolistne koniczyny, po miniaturowe “śmigła”. Każdy z elementów miał wymiary rzędu 300 nm wysokości i około 1000 nm szerokości. Tak zaprojektowane układy pokrywały pełne spektrum przesunięcia fazowego potrzebnego do dowolnego kształtowania wiązki światła.
W praktyce oznacza to, że soczewki nie tylko są odporne na błędy produkcyjne, ale także niezależne od polaryzacji światła, co zwiększa ich funkcjonalność i przybliża do wdrożenia w przemyśle.
Jedną z największych zalet proponowanego rozwiązania jest prostota wytwarzania. Każdą warstwę można produkować osobno i dopiero na końcu zintegrować w kompletny układ. Niski stosunek wysokości do szerokości nanostruktur sprawia, że proces litografii jest znacznie łatwiejszy i bardziej przewidywalny.
Dodatkowo, technologia ta jest zgodna z platformami półprzewodnikowymi, co oznacza możliwość wykorzystania istniejących procesów znanych z produkcji układów scalonych. To właśnie ta cecha daje nadzieję na stosunkowo tanią i skalowalną produkcję metasoczewek, które mogłyby trafić nie tylko do laboratoriów, ale i do masowych urządzeń codziennego użytku.
Choć obecnie system wielowarstwowy jest w stanie efektywnie ogniskować około pięciu długości fal, nawet taki zakres otwiera zupełnie nowe możliwości. Jak zauważa Jordaan, soczewki te projektowane są przede wszystkim z myślą o lekkich systemach obrazowania, takich jak drony czy satelity obserwacji Ziemi. Minimalna waga i niewielkie rozmiary pozwolą znacząco obniżyć koszty wynoszenia instrumentów w przestrzeń kosmiczną.
Nie mniej istotne są potencjalne zastosowania w elektronice konsumenckiej. W przyszłości kamery smartfonów mogłyby zostać wyposażone w ultracienkie moduły zdolne do rejestrowania obrazu w szerokim spektrum barw, przy zachowaniu wysokiej jakości i jasności. To z kolei mogłoby otworzyć nowe możliwości w fotografii mobilnej, rozszerzonej rzeczywistości czy systemach rozpoznawania obrazu.