Les chercheurs ont conçu une lentille optique avec la plus grande ouverture numérique en espace libre à ce jour, atteindre une valeur légèrement inférieure à 1. Comme l'ouverture numérique indique la résolution la plus élevée possible qu'un objectif peut atteindre, le nouvel objectif peut focaliser la lumière avec une capacité sans précédent, ainsi que de collecter la lumière sous de grands angles. Ces capacités devraient rendre l'objectif particulièrement utile pour les applications à faible luminosité, comme l'émission de photons uniques, qui est souvent utilisé dans les systèmes d'optique quantique.

Les chercheurs, dirigé par Arseniy Kuznetsov et Ramón Paniagua-Domínguez, chez A*STAR (Agence pour la science, La technologie, et recherche) et l'Université technologique de Nanyang, à la fois à Singapour, ont publié un article sur l'objectif à ouverture numérique proche de l'unité dans un récent numéro de Lettres nano .

Précédemment, l'ouverture numérique la plus élevée pour un objectif en espace libre était de 0,95, ce qui correspond à un angle de captage maximal d'environ 72°. En raison de la façon dont ces lentilles sont fabriquées, ils sont aussi grands et chers, et ne peut donc pas être facilement réduit pour fonctionner avec de très petits systèmes.

Avec son ouverture numérique de 0.99, le nouvel objectif a à la fois une résolution plus élevée et un angle de collecte plus grand de 82°. La nouvelle lentille est constituée d'une métasurface plutôt que de matériaux de lentille traditionnels. La métasurface se compose d'un motif de structures à l'échelle inférieure à la longueur d'onde et a une épaisseur globale de moins d'une longueur d'onde de lumière, résultant en une petite taille qui élargit considérablement ses applications potentielles.

« Les lentilles/objectifs de microscope à grande ouverture numérique sont des composants optiques majeurs largement utilisés en microscopie, systèmes de détection optique, lithographie optique, optique quantique, etc., " Kouznetsov a dit Phys.org . « Le fait d'avoir une ouverture numérique élevée est d'une importance primordiale pour obtenir une résolution élevée et un niveau de détection élevé des signaux optiques. Les lentilles/objectifs de microscope à grande ouverture numérique actuellement existants sont encombrants et coûteux. Dans ce travail, nous avons montré que, utilisant un nouveau concept de métasurfaces à base de nanoantennes diélectriques, il est possible de concevoir et de réaliser des composants optiques plats pouvant atteindre une ouverture numérique supérieure à tous les objectifs optiques existants, en utilisant juste un appareil de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur."

Pour démontrer les avantages de la nouvelle lentille, les chercheurs l'ont utilisé pour imager les centres de lacunes d'azote dans les nanocristaux de diamant, qui mesurent plusieurs dizaines de nanomètres. Les images numérisées par les nouveaux metalens ont révélé des taches plus petites par rapport aux images numérisées à l'aide d'objectifs commerciaux avec des ouvertures numériques plus petites, démontrant la résolution plus élevée du nouvel objectif.

Les chercheurs s'attendent à ce que, à l'avenir, la nouvelle lentille peut également être utilisée pour apporter des améliorations à la photolithographie, qui est utilisé pour produire des puces informatiques et d'autres appareils à haute résolution. En outre, la collection grand angle du nouvel objectif devrait augmenter l'efficacité des processus d'émission de photons uniques, qui sont utilisés dans les systèmes d'optique quantique.

"Nous pensons que ce nouveau concept trouvera de larges applications dans des domaines où la détection de signaux optiques faibles est importante, " a déclaré Kuznetsov. " Un exemple est dans l'optique quantique, qui traite des systèmes ne contenant que des atomes uniques ou des émetteurs quantiques émettant de la lumière au niveau d'un seul photon. De telles lentilles plates permettent non seulement de détecter des signaux optiques faibles, mais peut également fonctionner dans des conditions extrêmes de basses températures et sous vide, ce qui est typique des expériences d'optique quantique.

"Une autre direction d'application importante pourrait être dans les appareils photoniques portables et mobiles, où une intégration dense de composants optiques à haut rendement est requise. Par exemple, les lentilles pourraient trouver des applications dans les appareils photo des téléphones portables et les lunettes de réalité augmentée."

© 2018 Phys.org