Cette image donne une vue rapprochée d'une lentille plate à base de métasurface (pièce carrée) intégrée sur un scanner MEMS. L'intégration de dispositifs MEMS avec des métalenses aidera à manipuler la lumière dans les capteurs en combinant les forces du contrôle dynamique à grande vitesse et la manipulation spatiale précise des fronts d'onde. Cette image a été prise avec un microscope optique au Center for Nanoscale Materials d'Argonne. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
Les chercheurs ont, pour la première fois, intégré deux technologies largement utilisées dans des applications telles que les communications optiques, les systèmes de bio-imagerie et de détection et de télémétrie de la lumière (LIDAR) qui scannent l'environnement des voitures et des camions autonomes.
Dans le cadre de l'effort de collaboration entre le Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et l'Université Harvard, les chercheurs ont réussi à créer une lentille à base de métasurface au sommet d'une plate-forme de système micro-électro-mécanique (MEMS). Le résultat est un nouveau système de focalisation de la lumière infrarouge qui combine les meilleures caractéristiques des deux technologies tout en réduisant la taille du système optique.
Les métasurfaces peuvent être structurées à l'échelle nanométrique pour fonctionner comme des lentilles. Ces métalenses ont été mis au point par Federico Capasso, Professeur Robert L. Wallace de Harvard de physique appliquée, et son groupe à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Les lentilles trouvent rapidement des applications car elles sont beaucoup plus fines et moins encombrantes que les lentilles existantes, et peut être fabriqué avec la même technologie que celle utilisée pour fabriquer des puces informatiques. Les MEMS, pendant ce temps, sont de petits appareils mécaniques qui se composent de minuscules, miroirs mobiles.
"Ces dispositifs sont aujourd'hui essentiels pour de nombreuses technologies. Ils sont devenus omniprésents sur le plan technologique et ont été adoptés pour tout, de l'activation des airbags automobiles aux systèmes de positionnement global des téléphones intelligents, " a déclaré Daniel Lopez, Chef de groupe Nanofabrication et Dispositifs au Centre des Matériaux Nanoscale d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science.
Lopez, Capasso et quatre co-auteurs décrivent comment ils ont fabriqué et testé leur nouvel appareil dans un article paru dans APL Photonics, intitulé « Lentille de métasurface dynamique basée sur la technologie MEMS ». L'appareil mesure 900 microns de diamètre et 10 microns d'épaisseur (un cheveu humain fait environ 50 microns d'épaisseur).
Les travaux en cours de la collaboration pour développer davantage de nouvelles applications pour les deux technologies sont menés au Centre pour les matériaux à l'échelle nanométrique d'Argonne, SEAS et le Harvard Center for Nanoscale Systems, qui fait partie de l'infrastructure nationale coordonnée en nanotechnologie.
Dans cette image, une lentille plate circulaire à base de métasurface a été intégrée sur un scanner MEMS. L'intégration de dispositifs MEMS avec des metalenses combine la force du contrôle dynamique à grande vitesse avec une manipulation spatiale précise des fronts d'onde. Cette image a été prise avec une micrographie électronique à balayage au Centre d'Argonne pour les matériaux à l'échelle nanométrique. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
Dans le système optique fusionné technologiquement, Les miroirs MEMS reflètent la lumière scannée, que les métaux focalisent ensuite sans avoir besoin d'un composant optique supplémentaire tel qu'une lentille de focalisation. Le défi relevé par l'équipe Argonne/Harvard était d'intégrer les deux technologies sans nuire à leurs performances.
L'objectif final serait de fabriquer tous les composants d'un système optique - le MEMS, la source lumineuse et l'optique à base de métasurface, avec la même technologie que celle utilisée pour fabriquer l'électronique aujourd'hui.
"Puis, en principe, les systèmes optiques pourraient être aussi minces que les cartes de crédit, " a déclaré Lopez.
Ces dispositifs à lentille sur MEMS pourraient faire progresser les systèmes LIDAR utilisés pour guider les voitures autonomes. Systèmes LIDAR actuels, qui recherchent les obstacles à proximité immédiate, sommes, par contre, plusieurs mètres de diamètre.
"Il faut des précisions, gros, lentilles volumineuses, et vous avez besoin d'objets mécaniques pour les déplacer, ce qui est lent et coûteux, ", a déclaré Lopez.
« Cette première intégration réussie de metalenses et de MEMS, rendu possible par leurs technologies hautement compatibles, apportera vitesse et agilité aux systèmes optiques, ainsi que des fonctionnalités inédites, " dit Capasso.
