Revolutionäres Metalens-Design soll konventionelle Brechungslinsen ersetzen

Forscher entwickelten Metalenses der nächsten Generation aus Metallnanopartikeln und Polymer. Sie haben Potenzial, konventionelle Brechungslinsen zu ersetzen für optoelektronische Geräte und portable Bildgebungssysteme.

Woraus besteht das Metalens?

Winzige optische Elemente finden sich in vielfältigen Bildgebungsinstrumenten – von Weitwinkelkameras bis multifunktionalen Endoskopen. Metalenses sind eine aufstrebende Plattform für solche kompakten optischen Elemente.

Doch Metalenses sind durch Eigenschaften und aufwendige, teure Fertigung limitiert. Sie können 3D-Objekte nicht einfach abbilden oder Brennpunkte ohne physische Bewegung anpassen.

Da Metalens-Bausteine aus harten Materialien bestehen, können sie Form nach Fertigung nicht ändern. In Materialsystemen ist es sehr schwer, Nanoskalen-Features on-demand zu konfigurieren für einstellbares Fokussieren.

Forscher der Northwestern University entwickelten daher Metalenses der nächsten Generation aus Metallnanopartikeln und Polymer mit Potenzial, konventionelle Brechungslinsen zu ersetzen.

Architektur

Die vielseitige Bildgebungsplattform basiert auf vollständig rekonfigurierbaren Metalenses aus Silbernanopartikeln. Sie kann in jeder Bildgebungssitzung von Einzelfokus- zu Multifokus-Linsen wechseln, bildet zwei oder mehr Bilder an programmierbaren 3D-Positionen ab.

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

Zur Herstellung nutzten Forscher ein Array zylindrischer Silbernanopartikel und eine Polymerschicht, die in Blöcke auf dem Metallarray angeordnet ist. Die Anordnung dieser Blöcke lässt sich leicht steuern, sodass das Nanopartikelarray Licht auf beliebige Zielfokuspunkte lenkt – ohne Nanopartikelstruktur zu verändern.

Gitterresonanzen ermöglichen rekonfigurierbare Metalenses für Bildgebung | Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Die Abbildung zeigt Metalens-Architektur basierend auf zwei Phasenelement-Typen in quadratischem Gitter: Silbernanopartikel, der Luft ausgesetzt, und identische Nanopartikel, bedeckt von dünnem dielektrischem Block.

Forscher nutzten einen Gitterentwicklungsalgorithmus für Surface-Lattice-Resonance-Metalenses für Zielfoki durch Abstimmung der Anordnung der zwei Bausteine via elektrischer Felddaten aus Finite-Difference-Time-Domain-Simulationen. Abbildung b zeigt: Metalens umstrukturierbar durch lösungsmittelunterstützte Nanoskalen-Prägung (SANE).

Diese flexible Technik ermöglicht Herstellern, zahlreiche Linsenstrukturen in einem Schritt von Löschen und Schreiben zu produzieren, ohne Feature-Degradation nach mehreren Lösch-Schreib-Zyklen. Auch Restrukturierung zuvor gebildeter Polymere in anderes Zielmuster via weiche Elastomermasken möglich.