Schéma de fabrication par laser femtoseconde d'une lentille TMDC monocouche. En médaillon :(i) Image AFM d'un monocristal TMDC monocouche, et (ii) Schéma de la génération induite par laser femtoseconde de nanoparticules MOx. Crédit :Han Lin, Zai Quan Xu, Guiyuan Cao, Yupeng Zhang, Jiadong Zhou, Ziyu Wang, Zhichen Wan, Zheng Liu, Kian Ping Loh, Cheng Wei Qiu, Qiaoliang Bao, Baohua Jia
Une lentille optique ultrafine constituée d'une monocouche de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) bidimensionnels pourrait ouvrir la voie aux dispositifs d'imagerie de nouvelle génération. Une équipe internationale de chercheurs, dirigé par le professeur Baohua Jia de l'Université de technologie de Swinburne en Australie, utilisé l'écriture laser femtoseconde pour modeler des nanoparticules sur des cristaux TMDC. L'objectif a une résolution inférieure à la longueur d'onde et une efficacité de focalisation tridimensionnelle de 31 %, jeter les bases de dispositifs optiques destinés à être utilisés dans les applications nano-optiques et photoniques sur puce.
Les lentilles sont l'un des composants optiques les plus couramment utilisés dans la vie quotidienne, y compris les lunettes, objectifs microscopiques, loupe, et objectifs de caméra. Les lentilles conventionnelles sont basées sur le principe de la réfraction de la lumière, en utilisant différents matériaux, surfaces sphériques et positions spatiales pour obtenir le contrôle de la lumière. La fabrication de lentilles conventionnelles incluant les processus de sélection des matériaux, Coupe, meulage grossier, broyage fin, polissage, et des tests. Afin de minimiser les aberrations dont l'aberration chromatique, aberrations sphériques et astigmatismes, il est nécessaire d'empiler plusieurs couches de lentilles pour former des lentilles composées, d'où la complexité et la lourdeur des appareils photo actuels.
Par conséquent, des efforts considérables ont été consacrés au développement de lentilles plates ultrafines. Contrairement aux lentilles conventionnelles, les lentilles plates utilisent des nanostructures pour moduler la lumière. En contrôlant les propriétés optiques et la position spatiale de chaque nano-élément, fonctions avancées, telles que la mise au point achromatique et sans aberration, une haute résolution spatiale et des distributions d'intensité focale spéciales peuvent être obtenues. Cependant, lorsque l'épaisseur du matériau est réduite à l'échelle des sous-longueurs d'onde, la modulation de phase ou d'amplitude insuffisante basée sur l'indice de réfraction intrinsèque et l'absorption des matériaux entraîne une mauvaise performance de la lentille.
Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications , une équipe de scientifiques, dirigé par le professeur Baohua Jia au Center for Translational Atomaterials, Université de technologie de Swinburne, Australie, Prof. Qiaoliang Bao anciennement à l'Université Monash, Le professeur Chengwei Qiu de l'Université nationale de Singapour et ses collègues ont développé une méthode innovante pour fabriquer des lentilles hautes performances en matériau dichalcogénure de métal transitionnel (TMDC) monocouche bidimensionnel en utilisant un laser femtoseconde pour modeler des nanoparticules. L'objectif a une résolution inférieure à la longueur d'onde et une efficacité de focalisation de 31 %, jeter les bases de dispositifs optiques ultra-fins à utiliser dans les applications nano-optiques et photoniques sur puce.
Bien que des lentilles fabriquées à partir de TMDC multicouches aient déjà été démontrées, lorsque leur épaisseur est réduite à l'échelle sub-nanométrique, leur modulation de phase ou d'amplitude insuffisante conduit à des rendements de focalisation inférieurs à 1 %. L'équipe internationale a découvert qu'il est possible de générer des nanoparticules en utilisant un faisceau laser femtoseconde pour interagir avec le matériau TMDC monocouche, ce qui est très différent du processus produit par un laser à onde continue. Lorsque l'impulsion laser est si courte que l'ensemble du matériau reste froid après le processus laser, les nanoparticules peuvent se fixer solidement au substrat. Les nanoparticules présentent une très forte diffusion pour moduler l'amplitude de la lumière. Par conséquent, la lentille fabriquée à partir des nanoparticules peut fournir une résolution inférieure à la longueur d'onde et une efficacité élevée, ce qui permet à l'équipe de démontrer une imagerie à diffraction limitée en utilisant les lentilles.
une, Schéma illustrant l'imagerie à diffraction limitée à l'aide d'une lentille TMDC monocouche. b, Image en microscopie optique d'une lentille TMDC monocouche à grande échelle (300 µm de diamètre, f1 =300 µm). c, Image de microscopie optique de la lettre objet "F". ré, Image de 2ème ordre de l'objet "F". e, Image de 1er ordre de "F". F, Image de microscopie optique de la carte standard de l'USAF. g, h, Images de 2e et 1er ordre de la carte standard de l'USAF. La barre d'échelle en d, e, g, et h, est de 10 µm. Crédit :Han Lin, Zai Quan Xu, Guiyuan Cao, Yupeng Zhang, Jiadong Zhou, Ziyu Wang, Zhichen Wan, Zheng Liu, Kian Ping Loh, Cheng Wei Qiu, Qiaoliang Bao, Baohua Jia
Une monocouche est la forme la plus fine d'un matériau, qui est la limite d'épaisseur physique ultime. En utilisant la monocouche pour la fabrication de la lentille, le processus démontré dans cette étude a consommé le moins de matière répondant à la limitation théorique. Plus important, la technique de fabrication au laser femtoseconde est un processus simple en une seule étape, sans les exigences de vide poussé ou d'environnement spécial, ainsi, il fournit le moyen le plus simple de fabriquer une lentille plate ultrafine. Par conséquent, la lentille peut être facilement intégrée dans n'importe quel dispositif photonique ou microfluidique pour de larges applications.
"Nous avons utilisé le matériau le plus fin au monde pour fabriquer une lentille plate, et prouver que les bonnes performances de la lentille ultrafine peuvent conduire à une imagerie à haute résolution. Il montre un potentiel énorme dans différentes applications, comme des lunettes, lentilles de microscopie, télescopes et objectifs de caméra. Il est prévisible qu'en utilisant cette technique, le poids et la taille des objectifs des caméras peuvent être considérablement réduits dans un avenir proche, " a déclaré le Dr Han Lin, le premier auteur du Center for Translational Atomaterials, Université de technologie de Swinburne.
« Nous sommes ravis de voir ce résultat unique du traitement laser femtoseconde des matériaux 2D. Il ouvre de nouvelles possibilités pour la fabrication de dispositifs photoniques à l'aide d'une méthode évolutive, " ajouté par le professeur Baohua Jia, Directeur du Centre d'Atomatériaux Translationnels.
« Nous pouvons intégrer la lentille en matériau monocouche 2-D sur les appareils souhaités en fixant simplement le matériau, puis en utilisant un laser femtoseconde pour effectuer la fabrication. L'ensemble du processus est simple, et le procédé est flexible et peu coûteux. Ainsi, nous voyons aussi le grand potentiel d'application de la méthode, " commenté par le professeur Qiaoliang Bao, anciennement de l'Université Monash.
"Nous concevons notre objectif de telle sorte que l'image puisse être trouvée à différents plans focaux, avec des grossissements différents. Ce mécanisme peut être facilement utilisé pour développer un objectif à zoom optique destiné à être utilisé dans les appareils photo des téléphones portables. Actuellement, des objectifs avec des distances focales différentes sont utilisés pour réaliser différentes fonctions de zoom. Cependant, nos objectifs peuvent atteindre différents taux de zoom simplement avec un seul design, " a conclu le professeur Chengwei Qiu des prévisions de l'Université nationale de Singapour.
