Metalenses - des surfaces planes qui utilisent des nanostructures pour focaliser la lumière - promettent de révolutionner l'optique en remplaçant les encombrants, lentilles incurvées actuellement utilisées dans les dispositifs optiques avec un simple, surface plane. Mais, ces métalenses sont restés limités dans le spectre de la lumière qu'ils peuvent bien focaliser. Aujourd'hui, une équipe de chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) a développé la première lentille unique capable de focaliser tout le spectre visible de la lumière, y compris la lumière blanche, au même endroit et en haute résolution. Cela n'a jamais été réalisé dans les lentilles conventionnelles qu'en empilant plusieurs lentilles.

La recherche est publiée dans Nature Nanotechnologie .

La mise au point de l'ensemble du spectre visible et de la lumière blanche - combinaison de toutes les couleurs du spectre - est si difficile car chaque longueur d'onde se déplace à travers les matériaux à des vitesses différentes. longueurs d'onde rouges, par exemple, se déplacera à travers le verre plus rapidement que le bleu, de sorte que les deux couleurs atteindront le même emplacement à des moments différents, ce qui entraînera des foyers différents. Cela crée des distorsions d'image appelées aberrations chromatiques.

Les appareils photo et les instruments optiques utilisent plusieurs lentilles incurvées de différentes épaisseurs et matériaux pour corriger ces aberrations, lequel, bien sûr, ajoute à l'encombrement de l'appareil.

« Les lentilles métalliques ont des avantages par rapport aux lentilles traditionnelles, " dit Federico Capasso, le professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et Vinton Hayes chercheur principal en génie électrique à SEAS et auteur principal de la recherche. "Les métalenses sont minces, facile à fabriquer et rentable. Cette percée étend ces avantages à toute la gamme de lumière visible. C'est la prochaine grande étape."

Le Harvard Office of Technology Development (OTD) a protégé la propriété intellectuelle relative à ce projet et explore les possibilités de commercialisation.

Les métalenses développées par Capasso et son équipe utilisent des réseaux de nanofines de dioxyde de titane pour focaliser de manière égale les longueurs d'onde de la lumière et éliminer l'aberration chromatique. Des recherches antérieures ont démontré que différentes longueurs d'onde de la lumière pouvaient être focalisées mais à différentes distances en optimisant la forme, largeur, distance, et la hauteur des nanofins. Dans cette dernière conception, les chercheurs ont créé des unités de nanofins appariées qui contrôlent simultanément la vitesse de différentes longueurs d'onde de la lumière. Les nanofines appariées contrôlent l'indice de réfraction sur la métasurface et sont réglées pour entraîner des retards différents pour la lumière passant à travers différentes ailettes, s'assurer que toutes les longueurs d'onde atteignent la tache focale en même temps.

"L'un des plus grands défis dans la conception d'une lentille à large bande achromatique est de s'assurer que les longueurs d'onde sortantes de tous les différents points des métalens arrivent au point focal en même temps, " a déclaré Wei Ting Chen, stagiaire postdoctoral à SEAS et premier auteur de l'article. "En combinant deux nanofins en un seul élément, nous pouvons régler la vitesse de la lumière dans le matériau nanostructuré, pour s'assurer que toutes les longueurs d'onde dans le visible sont focalisées au même endroit, en utilisant un seul métalens. Cela réduit considérablement l'épaisseur et la complexité de la conception par rapport aux lentilles achromatiques standard composites."

"En utilisant notre lentille achromatique, nous sommes en mesure d'effectuer de haute qualité, imagerie en lumière blanche. Cela nous rapproche un peu plus de l'objectif de les incorporer dans des dispositifs optiques courants tels que les caméras, " a déclaré Alexandre Zhu, co-auteur de l'étude.

Prochain, les chercheurs visent à agrandir l'objectif, à environ 1 cm de diamètre. Cela ouvrirait toute une série de nouvelles possibilités, comme les applications en réalité virtuelle et augmentée.