Focalizare nouă pe fotografiile „Metalens” – Permite zoom-ul miniatural pentru drone, telefoane mobile sau ochelari de vedere nocturnă

Un nou metal fabricat de MIT schimbă focalizarea fără a înclina, deplasa sau mișca altfel. Designul poate permite obiectivele cu zoom în miniatură pentru drone, telefoane mobile sau ochelari de vedere de noapte. Credit: Amabilitatea savanților

Sticla lustruită a fost în centrul sistemelor de imagine de secole. Curbura lor precisă permite lentilelor să focalizeze lumina și să producă imagini clare, indiferent dacă obiectul la vedere este o singură celulă, pagina unei cărți sau o galaxie îndepărtată.

Schimbarea focalizării pentru a vedea clar la toate aceste scale necesită de obicei mișcarea fizică a unui obiectiv, înclinarea, alunecarea sau deplasarea diferită a obiectivului, de obicei cu ajutorul unor piese mecanice care măresc majoritatea microscopelor și telescoapelor.

acum cu inginerii au inventat un „metal” reglabil care se poate concentra pe obiecte la adâncimi multiple, fără modificări ale poziției sau formei sale fizice. Obiectivul nu este realizat din sticlă puternică, ci dintr-un material transparent „care schimbă faza”, care, la încălzire, își poate rearanja structura atomică și astfel poate schimba modul în care materialul interacționează cu lumina.

Cercetătorii au sculptat pe suprafața materialului structuri mici, modelate cu precizie, care funcționează împreună ca o „suprafață metasurfatică” pentru a refracta sau reflecta lumina în moduri unice. Pe măsură ce proprietatea materialului se schimbă, funcția optică a suprafeței metasurgicale se schimbă în consecință. În acest caz, atunci când materialul este la temperatura camerei, metasuprafața concentrează lumina pentru a genera o imagine clară a unui obiect la o anumită distanță. Odată ce materialul se încălzește, structura sa atomică se schimbă și, ca răspuns, metasuprafața transmite lumină pentru a se concentra asupra unui obiect mai îndepărtat.

În acest fel, noile „metale” active își pot regla focalizarea fără a fi nevoie de elemente mecanice mari. Noul design, care implementează în prezent imagini în banda infraroșie, ar putea permite dispozitive optice mai sofisticate, cum ar fi spațiul de căldură în miniatură pentru drone, camerele termice ultra-compacte pentru telefoanele mobile și ochelarii de vizionare nocturnă cu profil redus.

„Rezultatul nostru arată că obiectivul nostru ultra-subțire, reglabil, fără piese în mișcare, poate realiza imagini discrete ale obiectelor suprapuse plasate la diferite adâncimi, rivalizând cu sistemele optice tradiționale și mari”, spune Tian Gu, cercetător la Laboratorul de Cercetare a Materialelor MIT .

Gu și colegii săi și-au publicat rezultatele astăzi în jurnal Comunicări despre natură. Printre coautorii săi se numără Juejun Hu, Mikhail Shalaginov, Yifei Zhang, Fan Yang, Peter Su, Carlos Rios, Qingyang Du și Anuradha Agarwal la MIT; Vladimir Liberman, Jeffrey Chou și Christopher Roberts de la MIT Lincoln Laboratory; și asociați de la Universitatea din Massachusetts la Lowell, Universitatea din Florida Centrală și Lockheed Martin Corporation.

O modificare materială

Noul obiectiv este fabricat dintr-un material care schimbă faza, pe care echipa l-a fabricat scoțând un material utilizat în mod obișnuit pe CD-uri și DVD-uri rescrise. Numit GST, conține germaniu, antimoniu și telur, iar structura sa internă se schimbă atunci când este încălzită cu impulsuri laser. Acest lucru permite materialului să comute între stări transparente și stări întunecate – mecanismul care permite ca datele stocate pe CD-uri să fie scrise, șterse și rescrise.

La începutul acestui an, cercetătorii au raportat că au adăugat un alt element, seleniul, la GST pentru a crea un nou material care schimbă faza: GSST. Când au încălzit noul material, structura sa atomică s-a schimbat de la o încurcare amorfă, aleatorie, de atomi la o structură mai ordonată, cristalină. Această schimbare de fază a schimbat și modul în care lumina infraroșie se deplasează prin material, afectând puterea de refracție, dar cu un impact minim asupra transparenței.

Echipa s-a întrebat dacă capacitatea de comutare GSST ar fi putut fi adaptată pentru a direcționa și a focaliza lumina în puncte specifice, în funcție de faza sa. Materialul poate servi apoi ca lentilă activă, fără a fi nevoie de piese mecanice pentru a-și schimba focalizarea.

„În general, atunci când cineva realizează un dispozitiv optic, este foarte dificil să-i reglezi caracteristicile după fabricare”, spune Shalaginov. „De aceea, a avea acest tip de platformă este ca un graal sfânt pentru inginerii optici, ceea ce permite [the metalens] pentru a schimba focalizarea eficient și pe o gamă largă.

Pe scaunul fierbinte

La lentilele convenționale, sticla este îndoită precis, astfel încât fasciculul de lumină de intrare să fie refractat de lentilă la diferite unghiuri, convergând într-un punct la o anumită distanță distanță, cunoscut sub numele de distanța focală a lentilei. Obiectivele pot produce apoi o imagine clară a oricărui obiect la distanța respectivă. Pentru a imagina obiecte la o adâncime diferită, obiectivul trebuie mutat fizic.

În loc să se bazeze pe curbura fixă ​​a unui material pentru a direcționa lumina, cercetătorii au căutat să modifice metalele bazate pe GSST în așa fel încât distanța focală să varieze în funcție de faza materialului.

În noul lor studiu, au fabricat un strat gros de 1 micron de GSST și au creat o „metasuprafață” prin sculptarea stratului GSST în structuri microscopice de diferite forme care refractează lumina în moduri diferite.

„Este un proces sofisticat de a construi metasuprafață care trece între diferite funcționalități și necesită o inginerie rezonabilă a tipului de forme și modele de utilizat”, spune Gu. „Știind cum se va comporta materialul, putem proiecta un model specific care se va concentra la un moment dat în starea amorfă și se va schimba într-un alt punct din faza cristalină.”

Au testat noile metale plasându-le pe o scenă și iluminându-le cu un fascicul laser acordat pe banda de lumină cu infraroșu. La anumite distanțe în fața obiectivului, au plasat obiecte transparente formate din modele pe două fețe de benzi orizontale și verticale, cunoscute sub numele de scheme de rezoluție, utilizate în mod obișnuit pentru testarea sistemelor optice.

Obiectivul, în starea sa inițială, amorfă, a produs o imagine clară a primului model. Echipa încălzește apoi lentilele pentru a transforma materialul într-o fază cristalină. După tranziție și odată cu îndepărtarea sursei de căldură, lentilele au produs o imagine la fel de clară, de data aceasta din a doua serie, mai departe de tije.

„Demonstrăm imagini la două adâncimi diferite, fără nicio mișcare mecanică”, spune Shalaginov.

Experimentele arată că un metal poate schimba activ focalizarea fără nicio mișcare mecanică. Cercetătorii spun că un metal poate fi fabricat cu micro-încălzitoare integrate pentru a încălzi rapid materialul cu impulsuri scurte de milisecundă. Prin schimbarea condițiilor de încălzire, acestea pot fi, de asemenea, reglate la stările intermediare ale celuilalt material, permițând reglarea focală continuă.

„Este ca și cum ați găti o friptură – una începe cu o friptură crudă și poate merge până la a merge bine sau poate face medii rare și orice altceva între ele”, spune Shalaginov. „În viitor, această platformă unică ne va permite să controlăm în mod arbitrar distanța focală a metalelor.”

Referință: „Reconfigurable all-dielectric metal with limited diffraction performance” de Mikhail Y. Shalaginov, Sensong An, Yifei Zhang, Fan Yang, Peter Su, Vladimir Liberman, Jeffrey B. Chou, Christopher M. Roberts, Myungkoo Kang, Carlos Rios, Qingyang Du, Clayton Fowler, Anuradha Agarwal, Kathleen A. Richardson, Clara Rivero-Baleine, Hualiang Zhang, Juejun Hu și Tian Gu, 22 februarie 2021, Comunicări despre natură.
DOI: 10.1038 / s41467-021-21440-9

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.