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Esta metalens plana é a primeira lente única que pode focar todo o espectro visível da luz – incluindo a luz branca – no mesmo local e em alta resolução. Ele usa matrizes de nanofins de dióxido de titânio para focar igualmente os comprimentos de onda da luz e eliminar a aberração cromática. Crédito: Jared Sisler/Harvard SEAS
Metalenses – superfícies planas que usam nanoestruturas para focar a luz – prometeram revolucionar a óptica, substituindo as lentes curvas e volumosas usadas atualmente em dispositivos ópticos por uma superfície simples e plana, mas anteriormente as metalenses eram limitadas no espectro de luz que podiam focar bem. . Agora, uma equipe de pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard desenvolveu a primeira lente única que pode focar todo o espectro visível – incluindo a luz branca – no mesmo local e em alta resolução, um feito. anteriormente alcançado apenas pelo empilhamento de múltiplas lentes convencionais. A pesquisa é publicada na Nature Nanotechnology.
Focar todo o espectro visível e a luz branca – todas as cores do espectro – é muito desafiador porque cada comprimento de onda se move através dos materiais em velocidades diferentes. Os comprimentos de onda vermelhos, por exemplo, movem-se através do vidro mais rapidamente do que os azuis, de modo que as duas cores atingirão o mesmo local em momentos diferentes, resultando em focos diferentes. Isso cria distorções de imagem conhecidas como aberrações cromáticas.
Câmeras e instrumentos ópticos usam múltiplas lentes curvas de diferentes espessuras e materiais para corrigir essas aberrações, o que, é claro, aumenta o volume do dispositivo.
“As metalenses têm vantagens sobre as lentes tradicionais”, disse Federico Capasso, Professor Robert L. Wallace de Física Aplicada e Vinton Hayes Pesquisador Sênior em Engenharia Elétrica no SEAS e autor sênior da pesquisa. “As Metalenses são finas, fáceis de fabricar e econômicas. Esta inovação estende essas vantagens a toda a faixa visível da luz. Este é o próximo grande passo.”
O Escritório de Desenvolvimento Tecnológico (OTD) de Harvard protegeu a propriedade intelectual relativa a este projeto e está explorando oportunidades de comercialização.
Os metalenses que Capasso e sua equipe desenvolveram usam matrizes de nanofins de dióxido de titânio para focar igualmente os comprimentos de onda da luz e eliminar a aberração cromática. Pesquisas anteriores demonstraram que diferentes comprimentos de onda de luz poderiam ser focados, mas em distâncias diferentes, otimizando a forma, largura, distância e altura das nanofins. Neste projeto mais recente, os pesquisadores criaram unidades de nanofins emparelhadas que controlam a velocidade de diferentes comprimentos de onda da luz simultaneamente. As nanofins emparelhadas também controlam o índice de refração na meta-superfície e são ajustadas para resultar em diferentes atrasos de tempo para a luz passar por diferentes aletas, garantindo que todos os comprimentos de onda alcancem o ponto focal ao mesmo tempo.
“Um dos maiores desafios no projeto de lentes acromáticas de banda larga é garantir que os comprimentos de onda de saída de todos os diferentes pontos das metalens cheguem ao ponto focal ao mesmo tempo”, disse Wei-Ting Chen, pós-doutorado na SEAS e primeiro autor do artigo. “Ao combinar duas nanofins em um elemento, podemos ajustar a velocidade da luz no material nanoestruturado, para garantir que todos os comprimentos de onda no visível sejam focados no mesmo ponto, usando um único metalens. Isso reduz drasticamente a espessura e a complexidade do design em comparação com lentes acromáticas padrão compostas.”
“Usando nossas lentes acromáticas, somos capazes de realizar imagens de luz branca de alta qualidade. Isto nos aproxima um passo do objetivo de incorporá-los em dispositivos ópticos comuns, como câmeras”, disse Alexander Zhu, coautor do estudo.
Em seguida, os pesquisadores pretendem aumentar a lente para cerca de 1 cm de diâmetro. Isto abriria uma série de novas possibilidades, como aplicações em realidade virtual e aumentada.
Referência: “Um metalens acromático de banda larga para focagem e imagem no visível” por Wei Ting Chen, Alexander Y. Zhu, Vyshakh Sanjeev, Mohammadreza Khorasaninejad, Zhujun Shi, Eric Lee e Federico Capasso, 1 de janeiro de 2018, Nanotecnologia da Natureza.
DOI: 10.1038/s41565-017-0034-6