Une illustration de la façon dont un metalens réfracte la lumière. Crédit :Giuseppe Strangi &Federico Capasso
Depuis plus de 500 ans, les humains ont maîtrisé l'art de réfracter la lumière en façonnant le verre en lentilles, puis plier ou combiner ces lentilles pour amplifier et clarifier les images de près et de loin.
Mais au cours de la dernière décennie, un groupe dirigé par le scientifique Federico Capasso de l'Université Harvard a commencé à transformer le domaine de l'optique en créant des métasurfaces optiques plates, utilisant un ensemble de millions de minuscules piliers de quartz microscopiquement minces et transparents pour diffracter et mouler le flux de lumière de la même manière qu'une lentille en verre, mais sans les aberrations qui limitent naturellement le verre.
La technologie a été sélectionnée parmi les 10 meilleures technologies émergentes par le Forum économique mondial (WEF) en 2019, qui remarquait que ceux-ci de plus en plus petits, des objectifs plus clairs commenceraient bientôt à être vus dans les téléphones avec appareil photo, capteurs, lignes de fibres optiques et dispositifs d'imagerie médicale, comme les endoscopes.
"Fabriquer les lentilles utilisées par les téléphones portables, les ordinateurs et autres appareils électroniques plus petits ont dépassé les capacités des techniques traditionnelles de coupe et de courbure du verre, " selon le WEF. "...Ces minuscules, mince, les lentilles plates pourraient remplacer les lentilles en verre volumineuses existantes et permettre une miniaturisation plus poussée des capteurs et des appareils d'imagerie médicale."
Rendre les metalenses « reconfigurables »
Maintenant, Le professeur de physique de l'Université Case Western Reserve, Giuseppe Strangi, et ses collaborateurs de Harvard ont fait un pas en avant pour rendre ces « métalenses » encore plus utiles, en les rendant reconfigurables.
Giuseppe Strangi regarde un tableau de metalens. Crédit :Giuseppe Strangi &Federico Capasso
Ils l'ont fait en exploitant des forces nanométriques pour infiltrer des cristaux liquides entre ces piliers microscopiques, leur permettant de façonner et de diffracter la lumière de manière totalement nouvelle, en "réglant" la puissance de focalisation, dit Strangi.
Les cristaux liquides sont particulièrement utiles car ils peuvent être manipulés thermiquement, électriquement, magnétiquement ou optiquement, ce qui crée le potentiel pour les lentilles flexibles ou reconfigurables.
"Nous pensons que cela promet de révolutionner l'optique telle que nous la connaissons depuis le 16ème siècle, " dit Strangi, dont le Nanoplasm Lab à Case Western Reserve étudie "l'optique extrême" et "l'interaction de la lumière et de la matière à l'échelle nanométrique, " entre autres choses.
Jusque récemment, une fois qu'une lentille de verre a été façonnée en une courbe rigide, il ne pouvait courber la lumière que dans un sens, sauf combiné avec d'autres lentilles ou déplacé physiquement, dit Strangi.
Metalenses a changé cela, puisqu'ils permettent de concevoir le front d'onde en contrôlant la phase, amplitude et polarisation de la lumière.
Maintenant, en contrôlant le cristal liquide, les chercheurs ont pu déplacer ces nouvelles classes de métalenses vers de nouvelles tentatives scientifiques et technologiques pour générer une lumière structurée reconfigurable.
"Ce n'est que la première étape, mais il existe de nombreuses possibilités d'utilisation de ces lentilles, et nous avons déjà été contactés par des entreprises intéressées par cette technologie, " dit Strangi.
L'article annonçant la percée a été publié début août par les Actes de la Académie nationale des sciences .
Strangi a collaboré avec plusieurs autres chercheurs aux États-Unis et en Europe, y compris les collègues chercheurs de Case Western Reserve Andrew Lininger et Jonathan Boyd; Giovanna Palermo de l'Universita' della Calabria en Italie; et Capasso, Alexander Zhu et Joon-Suh Park de la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences de l'Université Harvard.
Lininger a déclaré qu'une partie du problème avec les applications actuelles des métasurfaces est que leur forme est fixée au point de production, mais "en permettant la reconfigurabilité dans la métasurface, ces limitations peuvent être surmontées."
Capasso, qui a été le pionnier du domaine de la recherche sur l'optique plate et en 2014 la première recherche publiée sur les métalenses, a crédité Strangi pour l'idée d'infiltrer les métalenses avec des cristaux liquides et a déclaré que cette innovation représente un pas vers des choses encore plus grandes.
"Notre capacité à s'infiltrer de manière reproductible avec des cristaux liquides à la pointe de la technologie composés de plus de 150 millions de piliers de verre de diamètre nanométrique et à modifier considérablement leurs propriétés de focalisation est un présage de la science et de la technologie passionnantes que je m'attends à voir sortir de l'optique plate reconfigurable à l'avenir, ", a déclaré Capasso.
