Metalente de Superficie Plana de Harvard Elimina Aberración Cromática, Revolucionando Realidad Virtual

• Investigadores de Harvard han desarrollado metalente que puede enfocar todos los espectros de luz visible en un punto particular en alta resolución.
• Usa nanorectas de dióxido de titanio que enfocan todas las longitudes de onda de luz por igual, eliminando aberración cromática.
• Metalente abre nueva gama de posibilidades, incluyendo aplicaciones en litografía, microscopía, endoscopia, realidad virtual y mixta.

Una metalente es una lente de superficie plana que usa nanoestructuras para enfocar luz. Tiene todo el potencial para reemplazar lentes gruesos y curvos existentes. Sin embargo, permaneció limitada en el espectro de luz que puede enfocar con precisión.

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

Esto ha acercado a los investigadores un paso más a incorporar lentes delgados en dispositivos ópticos usuales y avanzados incluyendo cámara, dispositivos de Realidad Aumentada y Virtual. Descubramos en detalle cómo los investigadores de Harvard lograron este hito.

Obstáculos

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

Para ajustar estas aberraciones, todos los dispositivos ópticos usan dos o más lentes curvos con grosores distintos, añadiendo volumen al instrumento.

Metalentes y Diseño

Las metalentes tienen varias ventajas sobre lentes convencionales – son fáciles de fabricar, delgadas y costo-efectivas. El equipo de investigación ha aprovechado estas ventajas a lo largo de todo el espectro visible de luz.

La nueva metalente usa nanorectas de dióxido de titanio que enfocan todas las longitudes de onda de luz por igual, eliminando aberración cromática. Para hacer esto, los investigadores tomaron algunas ideas de estudio previo que demuestra que diferentes longitudes de onda podrían enfocarse en un punto dado ajustando ancho, altura, distancia y forma de las nanorectas.

Microscopio electrónico mostrando vista lateral de metalente, barra de escala – 200 nm | Capasso Lab/Havard SEAS

En el nuevo diseño, nanorectas emparejadas controlan simultáneamente la velocidad de longitudes de onda distintas, y el índice de refracción de la superficie de la metalente. Esto da retrasos de tiempo variables a longitudes de onda que pasan por diferentes aletas, de manera que todas las luces lleguen al punto focal al mismo momento.

La velocidad de luz en el material nanoestructurado puede ajustarse fusionando dos nanorectas en un elemento. Disminuye significativamente el grosor así como la complejidad de diseño comparado con lentes acromáticos.

Específicamente, el equipo ha demostrado enfoque e imagen acromáticos limitados por difracción de 470 a 760 nanómetros. La nueva metalente contiene solo una capa de nanoestructuras con grosor del orden de la longitud de onda, y no involucra multiplexación espacial o cascada.

El mismo principio de diseño podría aplicarse a otras regiones del espectro electromagnético. Realizar metalentes acromáticos con diámetros mayores y aperturas numéricas más grandes requiere un rango más amplio de retardo de grupo soportado por múltiples combinaciones de nanorectas con diferentes dimensiones. Esto podría realizarse por diferentes técnicas de dispersión o simplemente aumentando la altura de las nanorectas.

Metalente Plana | Crédito de imagen: Jared Sisler/Harvard SEAS

En esta investigación, nanoestructuras de dióxido de titanio han sido demostradas con aproximadamente 4.5 micrómetros de altura correspondiendo a un retardo de grupo de alrededor de 37 femtosegundos (10−15 segundos).

Referencia: Nature Nanotechnology | doi:10.1038/s41565-017-0034-6 | Harvard SEAS

Capas en cascada de metalentes podrían aumentar aún más el retardo de grupo, lo que introduce un grado adicional de libertad para corregir aberraciones monocromáticas dentro de un gran campo de visión. También se puede fusionar una metalente que actúa como corrector de aberración con una lente esférica refractiva.

Se ve prometedor ya que se podría corregir concurrentemente aberraciones cromáticas y monocromáticas de la lente esférica, mientras se aprovechan los beneficios de mayor apertura de lente y pequeño desplazamiento focal cromático.

¿Qué Sigue?

Harvard ya ha licenciado la tecnología a una startup para desarrollarla 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 nueva gama de posibilidades, incluyendo aplicaciones en litografía, microscopía, endoscopia, realidad virtual y mixta.