La óptica plana está hecha de nanoestructuras que contienen materiales de alto índice de refracción para producir lentes con factores de forma delgados que funcionan solo en longitudes de onda específicas.
Los científicos de materiales han intentado recientemente lograr lentes acromáticas para descubrir un equilibrio entre la apertura numérica y el ancho de banda que limita el rendimiento de dichos materiales. En este trabajo, Cheng-Feng Pan y un equipo de científicos en desarrollo de productos de ingeniería, tecnología de la información e ingeniería informática en Singapur y China propusieron un nuevo enfoque para diseñar metalentes acromáticos multicapa de alta apertura numérica, banda ancha e insensibles a la polarización. P>
Los científicos de materiales combinaron optimización topológica y simulaciones de longitud de onda completa para diseñar inversamente los metalenses utilizando litografía de dos fotones. El equipo de investigación demostró el rendimiento de las imágenes de banda ancha de las estructuras diseñadas bajo luz blanca e iluminaciones de banda estrecha roja, verde y azul.
Los resultados destacaron la capacidad de las estructuras multicapa impresas en 3D para crear metadispositivos multifuncionales y de banda ancha. Los resultados ahora se publican en Science Advances y aparecen en la portada de la revista.
Los avances recientes en metalentes a escala micro y macro han demostrado su importancia para lograr un rendimiento de imágenes notable adecuado para una variedad de aplicaciones en imágenes de campo luminoso, bioanálisis, medicina y tecnologías cuánticas. Por ejemplo, las lentes acromáticas muestran respuestas de banda ancha para capturar información de color, para ampliar las posibilidades de diseño y escenarios de aplicación para dispositivos fotónicos.
Estas construcciones son ultracompactas, ultrafinas, livianas y adecuadas para fabricar metalentes atractivos para sistemas de imágenes. Sin embargo, la mayoría de los metalenses están fabricados con materiales de alto índice de refracción para proporcionar un buen control óptico, con una luz intensa que dificulta la implementación de banda ancha.
Los físicos han demostrado que el número de Abbe es una figura de mérito en el diseño de lentes para representar un material transparente sin dispersión comúnmente utilizado para materiales de alto índice de refracción y como una fórmula para lograr una lente de enfoque de alta eficiencia.
El método de impresión 3D
El equipo de investigación resolvió los desafíos de fabricación subyacentes a los metalentes acromáticos multicapa mediante el uso de impresión tridimensional. El método de impresión 3D a nanoescala permitió modelar una lente multicapa en un solo paso litográfico para crear rápidamente prototipos de estructuras complejas. Utilizando la polimerización de dos fotones, los científicos realizaron una variedad de diseños 3D, incluidas microlentes complejas, lentes de índice de gradiente y lentes difractivas.
En este trabajo, Pan y sus colegas utilizaron la optimización de la topología para lograr un comportamiento de lente acromática. Consiguieron rápidamente una estructura estable, multicapa y de alta resolución.
Las metalenses acromáticas multicapa resultantes mostraron niveles hasta ahora desconocidos de rendimiento eficiente para integrar las ventajas de la impresión 3D de alta resolución a nanoescala para crear metalenses con un rendimiento excepcional para inspirar un nuevo paradigma para diseñar y fabricar elementos y dispositivos ópticos de banda ancha multifuncionales.
La principal diferencia entre las lentes metálicas multinivel y las lentes difractivas multinivel es el tamaño de la característica más pequeña.
Por ejemplo, si bien el tamaño mínimo de la característica puede diseñarse para adaptarse a una dimensión específica, se requieren simulaciones de onda completa para tener en cuenta las interacciones y la dispersión entre capas. Mediante el uso de pasos de filtrado y binarización, los investigadores convirtieron la estructura diseñada en una construcción real.
El equipo sometió las muestras a optimización topológica y las formó utilizando el sistema fotónico de impresión 3D profesional de Nanoscale GmbH, con un haz enfocado escaneado galvo para inducir la reticulación de una resina líquida en un vóxel sólido a nanoescala en el punto focal.
Los científicos optimizaron el método de fabricación para lograr un prototipo cercano al diseño normal y evaluaron la calidad de imagen del producto colocándolo en un objetivo de resolución con una distancia de espaciado tres veces la distancia focal a los objetivos.
Las lentes metálicas diseñadas funcionaron bien bajo luz blanca para aplicaciones de imágenes acromáticas para mostrar la capacidad incomparable de las lentes metálicas para eliminar las aberraciones cromáticas. Los científicos optimizaron los parámetros para mostrar cómo las metalentes acromáticas multicapa mostraron una alta eficiencia de enfoque con rendimiento de banda ancha y optimización topológica para realizar con precisión las metalentes diseñadas con características a nanoescala.
De esta manera, Cheng-Feng Pan y el equipo de investigación desarrollaron un sistema de lentes metálicas multicapa y consideraron cada capa como un corrector acromático y un elemento de enfoque. Los resultados mostraron cómo las metasuperficies apiladas que se basan en materiales de bajo índice de refracción superaron los límites de la óptica plana de una sola capa para extender el rendimiento de los metalenses a funciones de banda ancha preservando al mismo tiempo la alta apertura numérica.
El uso de métodos de impresión 3D de mayor resolución y resinas de alto índice de refracción contribuirá a un sistema óptico mejorado y multifuncional que funciona con un rango de respuesta de banda ancha más allá del rango visible para contener un rango de infrarrojo cercano o medio.
Más información: Cheng-Feng Pan et al, estructuras multicapa impresas en 3D para metalentes acromáticos de alta apertura numérica, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj9262
Ren Jie Lin et al, Matriz de lentes metálicas acromáticas para imágenes de campo de luz a todo color, Nature Nanotechnology (2019). DOI:10.1038/s41565-018-0347-0
Información de la revista: Nanotecnología de la naturaleza , Avances científicos
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