Eine neue Art von Metalens könnte konventionelle refraktive Linsen ersetzen

• Forscher haben Metallenses der nächsten Generation entwickelt, die aus Metallnanopartikeln und einem Polymer bestehen.
• Sie hat das Potenzial, herkömmliche refraktive Linsen zu ersetzen, um optoelektronische Geräte und tragbare Bildgebungssysteme zu realisieren.

Winzige optische Elemente werden in einer Vielzahl von bildgebenden Instrumenten verwendet, von Weitwinkelkameras bis hin zu multifunktionalen Endoskopen. Metalenses sind eine der aufstrebenden Plattformen für solche kompakten optischen Elemente.

Metalenses sind jedoch durch ihre Eigenschaften und ihre komplizierte und teure Herstellung eingeschränkt. Sie können dreidimensionale Objekte nicht ohne weiteres abbilden oder ihre Brennpunkte ohne physische Bewegung anpassen.

Da die Bausteine ​​von Metalenses aus harten Materialien bestehen, können sie ihre Form nach der Herstellung nicht ändern. In allen Materialsystemen ist es sehr schwierig, bei Bedarf nanoskalige Merkmale zu konfigurieren, um eine einstellbare Fokussierung in Metallen zu erreichen.

Aus diesem Grund haben Forscher der Northwestern University Metalenses der nächsten Generation entwickelt, die aus Metallnanopartikeln und einem Polymer bestehen, das das Potenzial hat, herkömmliche refraktive Linsen zu ersetzen, um optoelektronische Geräte und tragbare Bildgebungssysteme zu realisieren.

Woraus besteht Metalens?

Die in dieser Studie entwickelte vielseitige Bildgebungsplattform basiert auf vollständig rekonfigurierbaren Metallen aus Silber-Nanopartikeln. Es kann während jeder Bildgebungssitzung von einer einzelnen Fokuslinse zu einer multifokalen Linse übergehen und zwei oder mehr Bilder an einer bestimmten programmierbaren 3D-Position erstellen.

Referenz:ACS Nano | doi:10.1021/acsnano.9b00651 | Northwestern University

Um diese Linsen herzustellen, verwendeten die Forscher eine Anordnung zylindrischer Silber-Nanopartikel und eine Polymerschicht, die in Blöcken auf der Metallanordnung angeordnet war. Die Anordnung dieser Blöcke kann leicht gesteuert werden, wodurch die Anordnung der Nanopartikel Licht auf jeden Zielbrennpunkt(e) lenkt, ohne die Struktur der Nanopartikel zu verändern.

Gitterresonanzen ermöglichten rekonfigurierbare Metalenses für die Bildgebung | Mit freundlicher Genehmigung der Forscher 

Die obige Abbildung zeigt die Metalens-Architektur, die auf zwei Arten von Phasenelementen basiert, die in einem quadratischen Gitter gemustert sind:Silbernanopartikel, die der Luft ausgesetzt sind, und identische Nanopartikel, die von einem dünnen dielektrischen Block bedeckt sind.

Die Forscher verwendeten einen Gitterevolutionsalgorithmus, um Oberflächengitterresonanz-Metallense für gezielte Brennpunkte zu entwickeln, indem sie die Anordnung der beiden Bausteine ​​durch elektrische Felddaten, die durch Finite-Differenz-Zeitbereichssimulationen gemessen wurden, abstimmen. Abbildung b zeigt, dass Metalene durch Lösungsmittel-unterstütztes nanoskaliges Prägen (SANE) umgelagert werden können.

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Diese flexible Technik ermöglicht es Herstellern, zahlreiche Linsenstrukturen in einem einzigen Schritt des Löschens und Schreibens herzustellen, ohne ihre Eigenschaften nach mehreren Lösch-Schreib-Zyklen zu verschlechtern. Es kann auch zuvor gebildetes Polymer über weiche Elastomermasken in ein anderes Zielmuster umstrukturieren.