La lumière de différentes couleurs voyage à différentes vitesses dans différents matériaux et structures. C'est pourquoi nous voyons la lumière blanche se diviser en ses couleurs constitutives après réfraction à travers un prisme, un phénomène appelé dispersion. Un objectif ordinaire ne peut pas focaliser la lumière de différentes couleurs sur un seul point en raison de la dispersion. Cela signifie que différentes couleurs ne sont jamais nettes en même temps, et donc une image formée par une lentille aussi simple est inévitablement floue. Les systèmes d'imagerie conventionnels résolvent ce problème en empilant plusieurs lentilles, mais cette solution se fait au prix d'une complexité et d'un poids accrus.

Les chercheurs de Columbia Engineering ont créé le premier objectif plat capable de focaliser correctement une large gamme de couleurs de n'importe quelle polarisation sur le même point focal sans avoir besoin d'éléments supplémentaires. Seulement un micron d'épaisseur, leur lentille "plate" révolutionnaire est beaucoup plus fine qu'une feuille de papier et offre des performances comparables aux systèmes de lentilles composites haut de gamme. Les conclusions de l'équipe, dirigé par Nanfang Yu, professeur agrégé de physique appliquée, sont décrits dans une nouvelle étude, publié aujourd'hui par Lumière :science et applications .

Une lentille conventionnelle fonctionne en acheminant toute la lumière qui lui tombe dessus à travers différents chemins de sorte que toute l'onde lumineuse arrive au point focal en même temps. Il est fabriqué pour ce faire en ajoutant une quantité croissante de retard à la lumière lorsqu'elle passe du bord au centre de la lentille. C'est pourquoi une lentille conventionnelle est plus épaisse en son centre qu'en son bord.

Dans le but d'inventer un diluant, briquet, et objectif moins cher, L'équipe de Yu a adopté une approche différente. En utilisant leur expertise dans les "métasurfaces" optiques - des structures bidimensionnelles conçues - pour contrôler la propagation de la lumière dans l'espace libre, les chercheurs ont construit des lentilles plates en pixels, ou "méta-atomes". Chaque méta-atome a une taille qui n'est qu'une fraction de la longueur d'onde de la lumière et retarde la lumière qui le traverse d'une quantité différente. En modelant une très fine couche plane de nanostructures sur un substrat aussi fin qu'un cheveu humain, les chercheurs ont pu réaliser la même fonction qu'un système de lentille conventionnel beaucoup plus épais et plus lourd. En regardant vers l'avenir, ils prévoient que les méta-lentilles pourraient remplacer les systèmes de lentilles encombrants, comparable à la façon dont les téléviseurs à écran plat ont remplacé les téléviseurs à tube cathodique.

"La beauté de notre lentille plate est qu'en utilisant des méta-atomes de formes complexes, il fournit non seulement la distribution correcte du retard pour une seule couleur de lumière mais aussi pour un spectre continu de lumière, " Yu dit. " Et parce qu'ils sont si minces, ils ont le potentiel de réduire considérablement la taille et le poids de tout instrument ou dispositif optique utilisé pour l'imagerie, comme les caméras, microscopes, télescopes, et même nos lunettes. Pensez à une paire de lunettes d'une épaisseur plus fine qu'une feuille de papier, caméras de smartphone qui ne bombent pas, de fines parcelles de systèmes d'imagerie et de détection pour les voitures et les drones sans conducteur, et des outils miniaturisés pour les applications d'imagerie médicale."

L'équipe de Yu a fabriqué les méta-lentilles en utilisant des techniques de fabrication planaires 2D standard similaires à celles utilisées pour la fabrication de puces informatiques. Ils disent que le processus de fabrication en série de lentilles métalliques devrait être beaucoup plus simple que la production de puces informatiques, car ils doivent définir une seule couche de nanostructures - en comparaison, les puces informatiques modernes ont besoin de nombreuses couches, certains jusqu'à 100. L'avantage des lentilles métalliques plates est que, contrairement aux lentilles conventionnelles, ils n'ont pas besoin de passer par les processus de meulage et de polissage coûteux et longs.

« La production de nos verres plats peut être massivement parallélisée, produisant de grandes quantités de lentilles hautes performances et bon marché, " note Sajan Shrestha, un doctorant du groupe de Yu qui était co-auteur principal de l'étude. "Nous pouvons donc envoyer nos conceptions de lentilles à des fonderies de semi-conducteurs pour une production en série et bénéficier des économies d'échelle inhérentes à l'industrie."

Parce que la lentille plate peut focaliser la lumière avec des longueurs d'onde allant de 1,2 à 1,7 microns dans le proche infrarouge au même point focal, il peut former des images « colorées » dans la bande proche infrarouge car toutes les couleurs sont nettes en même temps, ce qui est essentiel pour la photographie couleur. L'objectif peut focaliser la lumière de n'importe quel état de polarisation arbitraire, pour que cela fonctionne non seulement dans un environnement de laboratoire, où la polarisation peut être bien contrôlée, mais aussi dans les applications du monde réel, où la lumière ambiante a une polarisation aléatoire. Cela fonctionne également pour la lumière transmise, pratique pour l'intégration dans un système optique.

"Notre algorithme de conception épuise tous les degrés de liberté pour sculpter une interface en un motif binaire, et, par conséquent, nos lentilles plates sont capables d'atteindre des performances approchant la limite théorique qu'une seule interface nanostructurée peut éventuellement atteindre, " Adam Overvig, l'autre co-auteur principal de l'étude et également doctorant avec Yu, dit. "En réalité, nous avons démontré quelques lentilles plates avec les meilleures caractéristiques combinées théoriquement possibles :pour un diamètre de méta-lentille donné, nous avons obtenu le point focal le plus étroit sur la plus grande plage de longueurs d'onde."

Ajoute le professeur Nader Engheta de l'Université de Pennsylvanie H. Nedwill Ramsey, un expert en nanophotonique et métamatériaux qui n'a pas participé à cette étude :« C'est un travail élégant du groupe du professeur Nanfang Yu et c'est un développement passionnant dans le domaine de l'optique plate. Cette méta-lentille achromatique, qui est l'état de l'art en matière d'ingénierie des métasurfaces, peut ouvrir des portes à de nouvelles innovations dans un ensemble diversifié d'applications impliquant l'imagerie, sentir, et la technologie des appareils photo compacts."

Maintenant que les méta-lentilles construites par Yu et ses collègues approchent les performances des ensembles de lentilles d'imagerie de haute qualité, avec un poids et une taille beaucoup plus petits, l'équipe a un autre défi :améliorer l'efficacité des verres. Les lentilles plates actuellement ne sont pas optimales car une petite fraction de la puissance optique incidente est soit réfléchie par la lentille plate, ou dispersés dans des directions indésirables. L'équipe est optimiste que la question de l'efficacité n'est pas fondamentale, et ils sont occupés à inventer de nouvelles stratégies de conception pour résoudre le problème d'efficacité. Ils sont également en pourparlers avec l'industrie sur la poursuite du développement et la licence de la technologie.

L'étude est intitulée "Metalenses diélectriques achromatiques à large bande".