La luz de diferentes colores viaja a diferentes velocidades en diferentes materiales y estructuras. Es por eso que vemos la luz blanca dividida en sus colores constituyentes después de refractarse a través de un prisma, un fenómeno llamado dispersión. Una lente normal no puede enfocar luz de diferentes colores en un solo punto debido a la dispersión. Esto significa que los diferentes colores nunca están enfocados al mismo tiempo, y así, una imagen formada por una lente tan simple es inevitablemente borrosa. Los sistemas de imágenes convencionales resuelven este problema apilando múltiples lentes, pero esta solución tiene el costo de una mayor complejidad y peso.

Los investigadores de Columbia Engineering han creado la primera lente plana capaz de enfocar correctamente una amplia gama de colores de cualquier polarización en el mismo punto focal sin necesidad de ningún elemento adicional. Solo una micra de espesor, su revolucionaria lente "plana" es mucho más delgada que una hoja de papel y ofrece un rendimiento comparable al de los sistemas de lentes compuestos de primera línea. Los hallazgos del equipo, dirigido por Nanfang Yu, profesor asociado de física aplicada, se describen en un nuevo estudio, publicado hoy por Luz:ciencia y aplicaciones .

Una lente convencional funciona enrutando toda la luz que incide sobre ella a través de diferentes caminos para que toda la onda de luz llegue al punto focal al mismo tiempo. Está fabricado para hacerlo agregando una cantidad cada vez mayor de retraso a la luz a medida que pasa del borde al centro de la lente. Esta es la razón por la que una lente convencional es más gruesa en su centro que en su borde.

Con el objetivo de inventar un diluyente, encendedor, y lente más barata, El equipo de Yu adoptó un enfoque diferente. Utilizando su experiencia en "metasuperficies" ópticas (estructuras bidimensionales diseñadas por ingeniería) para controlar la propagación de la luz en el espacio libre, los investigadores construyeron lentes planas hechas de píxeles, o "metaátomos". Cada metaátomo tiene un tamaño que es solo una fracción de la longitud de onda de la luz y retrasa la luz que lo atraviesa en una cantidad diferente. Al modelar una capa plana muy delgada de nanoestructuras sobre un sustrato tan delgado como un cabello humano, los investigadores pudieron lograr la misma función que un sistema de lentes convencionales mucho más grueso y pesado. Mirando hacia el futuro, anticipan que los meta-lentes podrían reemplazar los sistemas de lentes voluminosos, comparable a la forma en que los televisores de pantalla plana han reemplazado a los televisores de tubo de rayos catódicos.

"La belleza de nuestra lente plana es que, al utilizar metaátomos de formas complejas, no solo proporciona la distribución correcta del retardo para un solo color de luz, sino también para un espectro de luz continuo, "Yu dice." Y debido a que son tan delgados, tienen el potencial de reducir drásticamente el tamaño y el peso de cualquier instrumento óptico o dispositivo utilizado para la obtención de imágenes, como cámaras, microscopios, telescopios, e incluso nuestros anteojos. Piense en un par de anteojos con un grosor más delgado que una hoja de papel, cámaras de teléfonos inteligentes que no sobresalen, parches delgados de sistemas de detección e imagen para automóviles y drones sin conductor, y herramientas miniaturizadas para aplicaciones de imágenes médicas ".

El equipo de Yu fabricó los meta-lentes usando técnicas estándar de fabricación plana 2-D similares a las que se usan para fabricar chips de computadora. Dicen que el proceso de fabricación masiva de metalentes debería ser mucho más simple que producir chips de computadora, ya que necesitan definir solo una capa de nanoestructuras, en comparación, Los chips de computadora modernos necesitan numerosas capas, algunos hasta 100. La ventaja de los metalentes planos es que, a diferencia de las lentes convencionales, no necesitan pasar por los costosos y lentos procesos de pulido y pulido.

"La producción de nuestras lentes planas se puede paralelizar masivamente, produciendo grandes cantidades de lentes económicos y de alto rendimiento, "señala Sajan Shrestha, estudiante de doctorado en el grupo de Yu que fue coautor principal del estudio. "Por lo tanto, podemos enviar nuestros diseños de lentes a las fundiciones de semiconductores para su producción en masa y beneficiarnos de las economías de escala inherentes a la industria".

Debido a que la lente plana puede enfocar luz con longitudes de onda que van desde 1.2 a 1.7 micrones en el infrarrojo cercano al mismo punto focal, puede formar imágenes "coloridas" en la banda del infrarrojo cercano porque todos los colores están enfocados al mismo tiempo, lo que es esencial para la fotografía en color. La lente puede enfocar la luz de cualquier estado de polarización arbitrario, para que funcione no solo en un laboratorio, donde la polarización se puede controlar bien, pero también en aplicaciones del mundo real, donde la luz ambiental tiene polarización aleatoria. También funciona con luz transmitida, conveniente para la integración en un sistema óptico.

"Nuestro algoritmo de diseño agota todos los grados de libertad para esculpir una interfaz en un patrón binario, y, como resultado, Nuestras lentes planas pueden alcanzar un rendimiento que se acerca al límite teórico que una única interfaz nanoestructurada puede alcanzar, "Adam Overvig, el otro coautor principal del estudio y también estudiante de doctorado con Yu, dice. "De hecho, hemos demostrado algunas lentes planas con los mejores rasgos combinados teóricamente posibles:para un diámetro de meta-lente dado, hemos logrado el punto focal más estrecho en el rango de longitud de onda más grande ".

Agrega al profesor Nader Engheta de la Universidad de Pensilvania H. Nedwill Ramsey, un experto en nanofotónica y metamateriales que no participó en este estudio:"Este es un trabajo elegante del grupo del profesor Nanfang Yu y es un desarrollo emocionante en el campo de la óptica plana. Este meta-lente acromático, que es el estado del arte en ingeniería de metasuperficies, puede abrir puertas a nuevas innovaciones en un conjunto diverso de aplicaciones que involucran imágenes, sintiendo y tecnología de cámara compacta ".

Ahora que los metalentes construidos por Yu y sus colegas se acercan al rendimiento de los juegos de lentes de imagen de alta calidad, con un peso y tamaño mucho más pequeños, el equipo tiene otro desafío:mejorar la eficiencia de las lentes. Las lentes planas actualmente no son óptimas porque una pequeña fracción de la potencia óptica incidente es reflejada por la lente plana, o esparcidos en direcciones no deseadas. El equipo es optimista de que el tema de la eficiencia no es fundamental, y están ocupados inventando nuevas estrategias de diseño para abordar el problema de la eficiencia. También están en conversaciones con la industria sobre el desarrollo y la concesión de licencias de la tecnología.

El estudio se titula "Metalentes dieléctricas acromáticas de banda ancha".