Las lentes metálicas de superficie plana de Harvard eliminan la aberración cromática y revolucionan la realidad virtual

• Investigadores de Harvard han desarrollado lentes metálicas que pueden enfocar todos los espectros de luz visible en un punto particular en alta resolución.
• Utiliza nanoaletas de dióxido de titanio que enfocan todas las longitudes de onda de la luz por igual, eliminando la aberración cromática.
• Metalens abre una nueva gama de posibilidades, incluidas aplicaciones en litografía, microscopía, endoscopia y realidad virtual y mixta.

Una metalente es una lente de superficie plana que utiliza nanoestructuras para enfocar la luz. Tiene todo el potencial para reemplazar la lente curva, gruesa y existente. Sin embargo, sigue siendo limitado en el espectro de luz que puede enfocar con precisión.

Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A.Paulson de Harvard han creado una nueva metalente que es capaz de enfocar todos los espectros de luz visible en un lugar particular en alta resolución. Hasta ahora, esto sólo ha sido posible apilando dos o más lentes tradicionales.

Esto ha acercado a los investigadores un paso más hacia la incorporación de lentes delgadas en dispositivos ópticos habituales y avanzados, incluidas cámaras y dispositivos de realidad virtual y aumentada. Descubramos en detalle cómo los investigadores de Harvard lograron alcanzar este hito.

Obstáculos

Es muy difícil enfocar todo el espectro visible de la luz (incluido el color blanco) en un punto, principalmente porque diferentes longitudes de onda viajan a diferentes velocidades a través de los materiales. Por ejemplo, la luz azul irá más lentamente que la roja, por lo que estos dos colores llegarán a un punto determinado en momentos diferentes, diferenciando los focos y distorsionando la imagen. Esta distorsión se llama aberraciones cromáticas.

Para ajustar estas aberraciones, todos los dispositivos ópticos utilizan dos o más lentes curvas con distintos espesores, lo que agrega volumen al instrumento.

Metalenses y Diseño

Los metalenses tienen varias ventajas sobre las lentes convencionales:son fáciles de fabricar, delgados y rentables. El equipo de investigación ha aprovechado estas ventajas en todo el espectro de luz visible.

Las nuevas lentes metálicas utilizan nanoaletas de dióxido de titanio que enfocan todas las longitudes de onda de la luz por igual, eliminando la aberración cromática. Para hacer esto, los investigadores tomaron algunas ideas de un estudio anterior que demuestra que se pueden enfocar diferentes longitudes de onda en un punto determinado ajustando el ancho, la altura, la distancia y la forma de las nanoaletas.

Microscopio electrónico que muestra una vista lateral de lentes metálicos, barra de escala – 200 nm | Laboratorio Capasso/Havard SEAS

En el nuevo diseño, las nanoaletas emparejadas controlan simultáneamente la velocidad de distintas longitudes de onda y el índice de refracción de la superficie de los metales. Esto proporciona retrasos de tiempo variables a las longitudes de onda que pasan a través de diferentes aletas, de manera que todas las luces llegan al punto focal al mismo tiempo.

La velocidad de la luz en el material nanoestructurado se puede ajustar fusionando dos nanoaletas en un solo elemento. Reduce significativamente el grosor y la complejidad del diseño en comparación con las lentes acromáticas.

Específicamente, el equipo ha demostrado el enfoque acromático limitado por difracción y la obtención de imágenes de 470 a 760 nanómetros. Las nuevas metalentes contienen solo una capa de nanoestructuras con un espesor del orden de la longitud de onda y no implican multiplexación espacial ni cascada.

El mismo principio de diseño podría aplicarse a otras regiones del espectro electromagnético. Para lograr metalentes acromáticos con diámetros más grandes y aperturas numéricas más grandes se requiere una gama más amplia de retardo de grupo respaldada por múltiples combinaciones de nanoaletas con diferentes dimensiones. Esto podría lograrse mediante diferentes técnicas de dispersión o simplemente aumentando la altura de las nanoaletas.

Metales planos | Crédito de la imagen:Jared Sisler/Harvard SEAS

En esta investigación, se han demostrado nanoestructuras de dióxido de titanio con aproximadamente 4,5 micrómetros de altura correspondientes a un retraso de grupo de alrededor de 37 femtosegundos (10-15 segundos).

Referencia:Nanotecnología de la Naturaleza | doi:10.1038/s41565-017-0034-6 | MARES DE HARVARD

Las capas en cascada de metalenses podrían aumentar aún más el retraso del grupo, lo que introduce un grado adicional de libertad para corregir aberraciones monocromáticas dentro de un campo de visión amplio. Once también puede fusionar una metalente que actúa como corrector de aberraciones con una lente esférica refractiva.

Parece prometedor ya que se podrían corregir simultáneamente las aberraciones cromáticas y monocromáticas de la lente esférica, al mismo tiempo que se aprovechan los beneficios de una mayor apertura de la lente y un pequeño cambio de distancia focal cromática.

¿Qué sigue?

Harvard ya ha otorgado la licencia de la tecnología a una startup para que la desarrolle a nivel comercial y ha protegido la propiedad intelectual del proyecto.

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Los investigadores ahora apuntan a aumentar el diámetro de la lente a 1 centímetro, lo que podría abrir una nueva gama de posibilidades, incluidas aplicaciones en litografía, microscopía, endoscopia y realidad virtual y mixta.