Le verre poli est au centre des systèmes d'imagerie depuis des siècles. Leur courbure précise permet aux objectifs de focaliser la lumière et de produire des images nettes, si l'objet en vue est une seule cellule, la page d'un livre, ou une galaxie lointaine.

Changer la mise au point pour voir clairement à toutes ces échelles nécessite généralement de déplacer physiquement un objectif, par basculement, glissement, ou autrement en déplaçant l'objectif, généralement à l'aide de pièces mécaniques qui s'ajoutent à la masse des microscopes et des télescopes.

Maintenant, les ingénieurs du MIT ont fabriqué un « métalène » accordable qui peut se concentrer sur des objets à plusieurs profondeurs, sans modification de sa position physique ou de sa forme. La lentille n'est pas en verre massif mais en un matériau transparent "à changement de phase" qui, après chauffage, peut réorganiser sa structure atomique et ainsi changer la façon dont le matériau interagit avec la lumière.

Les chercheurs ont gravé la surface du matériau avec de minuscules, des structures à motifs précis qui fonctionnent ensemble comme une "métasurface" pour réfracter ou refléter la lumière de manière unique. Au fur et à mesure que la propriété du matériau change, la fonction optique de la métasurface varie en conséquence. Dans ce cas, lorsque le matériau est à température ambiante, la métasurface focalise la lumière pour générer une image nette d'un objet à une certaine distance. Une fois le matériau chauffé, sa structure atomique change, et en réponse, la métasurface redirige la lumière pour se concentrer sur un objet plus éloigné.

De cette façon, le nouveau "metalens" actif peut régler sa mise au point sans avoir besoin d'éléments mécaniques encombrants. La conception de roman, qui image actuellement dans la bande infrarouge, peut permettre des appareils optiques plus agiles, tels que des portées thermiques miniatures pour drones, caméras thermiques ultracompactes pour téléphones portables, et des lunettes de vision nocturne à profil bas.

"Notre résultat montre que notre objectif ultrafin accordable, sans pièces mobiles, peut obtenir une imagerie sans aberration d'objets superposés positionnés à différentes profondeurs, rivalisant avec le traditionnel, systèmes optiques encombrants, " dit Tian Gu, chercheur au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT.

Gu et ses collègues ont publié leurs résultats aujourd'hui dans la revue Communication Nature . Ses co-auteurs incluent Juejun Hu, Mikhaïl Chalaginov, Yifei Zhang, Fan Yang, Peter Su, Carlos Rios, Qingyang Du, et Anuradha Agarwal au MIT; Vladimir Liberman, Jeffrey Chou, et Christopher Roberts du MIT Lincoln Laboratory; et collaborateurs de l'Université du Massachusetts à Lowell, l'Université de Floride centrale, et Lockheed Martin Corporation.

Un ajustement matériel

Le nouvel objectif est fait d'un matériau à changement de phase que l'équipe a fabriqué en peaufinant un matériau couramment utilisé dans les CD et DVD réinscriptibles. Appelé TPS, il comprend du germanium, antimoine, et tellure, et sa structure interne change lorsqu'elle est chauffée avec des impulsions laser. Cela permet au matériau de basculer entre les états transparent et opaque - le mécanisme qui permet aux données stockées sur les CD d'être écrites, effacé, et réécrit.

Plus tôt cette année, les chercheurs ont rapporté avoir ajouté un autre élément, sélénium, à GST pour fabriquer un nouveau matériau à changement de phase :GSST. Quand ils ont chauffé le nouveau matériau, sa structure atomique est passée d'un amorphe, enchevêtrement aléatoire d'atomes à un plus ordonné, structure cristalline. Ce déphasage a également modifié la façon dont la lumière infrarouge traversait le matériau, affectant le pouvoir de réfraction mais avec un impact minimal sur la transparence.

L'équipe s'est demandé si la capacité de commutation du GSST pouvait être adaptée pour diriger et focaliser la lumière à des points spécifiques en fonction de sa phase. Le matériau pourrait alors servir de lentille active, sans avoir besoin de pièces mécaniques pour déplacer son objectif.

"En général quand on fabrique un appareil optique, il est très difficile de régler ses caractéristiques après fabrication, " dit Shalaginov. " C'est pourquoi avoir ce genre de plate-forme est comme un Saint Graal pour les ingénieurs optiques, qui permet [aux métaux] de changer de focalisation efficacement et sur une large plage."

Sur la sellette

Dans les lentilles conventionnelles, le verre est incurvé avec précision de sorte que le faisceau lumineux entrant se réfracte sur la lentille à différents angles, convergeant en un point à une certaine distance, appelée distance focale de l'objectif. Les lentilles peuvent alors produire une image nette de tout objet à cette distance particulière. Pour imager des objets à une profondeur différente, la lentille doit être physiquement déplacée.

Plutôt que de compter sur la courbure fixe d'un matériau pour diriger la lumière, les chercheurs ont cherché à modifier les métaux à base de GSST de manière à ce que la distance focale change avec la phase du matériau.

Dans leur nouvelle étude, ils ont fabriqué une couche de GSST de 1 micron d'épaisseur et créé une "métasurface" en gravant la couche de GSST en structures microscopiques de différentes formes qui réfractent la lumière de différentes manières.

"C'est un processus sophistiqué pour construire la métasurface qui bascule entre différentes fonctionnalités, et nécessite une ingénierie judicieuse du type de formes et de motifs à utiliser, " dit Gu. " En sachant comment le matériau se comportera, nous pouvons concevoir un motif spécifique qui se concentrera en un point dans l'état amorphe, et passer à un autre point de la phase cristalline."

Ils ont testé les nouveaux métaux en les plaçant sur une scène et en l'éclairant avec un faisceau laser réglé sur la bande de lumière infrarouge. A certaines distances devant l'objectif, ils ont placé des objets transparents composés de motifs recto-verso de barres horizontales et verticales, connu sous le nom de cartes de résolution, qui sont généralement utilisés pour tester les systèmes optiques.

La lentille, dans son initiale, état amorphe, produit une image nette du premier motif. L'équipe a ensuite chauffé la lentille pour transformer le matériau en une phase cristalline. Après la transition, et avec la source de chauffage retirée, l'objectif a produit une image tout aussi nette, cette fois la seconde, plus loin ensemble de barres.

"Nous démontrons l'imagerie à deux profondeurs différentes, sans aucun mouvement mécanique, " dit Chalaginov.

Les expériences montrent qu'un métal peut changer activement de foyer sans aucun mouvement mécanique. Les chercheurs disent qu'un métal pourrait être potentiellement fabriqué avec des micro-chauffeurs intégrés pour chauffer rapidement le matériau avec de courtes impulsions en millisecondes. En faisant varier les conditions de chauffe, ils peuvent également s'adapter aux états intermédiaires d'autres matériaux, permettant un réglage focal continu.

"C'est comme cuisiner un steak, on part d'un steak cru, et peut aller jusqu'à bien fait, ou pourrait faire moyennement rare, et tout le reste entre les deux, " dit Shalaginov. " À l'avenir, cette plate-forme unique nous permettra de contrôler arbitrairement la distance focale des métaux. "

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.