Linser bliver genopfundet, og kameraer bliver aldrig de samme

Linser er næsten lige så gamle som civilisationen selv. De gamle egyptere, grækere og babyloniere udviklede alle linser lavet af poleret kvarts og brugte dem til simpel forstørrelse. Senere kombinerede 1600-tallets videnskabsmænd linser til at lave teleskoper og mikroskoper, instrumenter, der ændrede vores syn på universet og vores position i det.

Nu bliver linser genopfundet af processen med fotolitografi, som skærer subbølgelængde-elementer ind på flade glasplader. I dag viser Alan She og venner på Harvard University i Massachusetts, hvordan man arrangerer disse funktioner på måder, der spreder lys med større kontrol, end det nogensinde har været muligt. De siger, at de resulterende metalenses er sat til at revolutionere billeddannelse og indlede en ny æra af optisk behandling.

Linsefremstilling har altid været en vanskelig forretning. Det gøres generelt ved at hælde smeltet glas eller siliciumdioxid i en form og lade det sætte sig, før det slibes og poleres til den ønskede form. Dette er en tidskrævende forretning, der adskiller sig væsentligt fra fremstillingsprocesserne for lysfølende komponenter på mikrochips.

Metalenses er skåret på wafers af siliciumdioxid i en proces som den, der bruges til at fremstille siliciumchips

Så en måde at lave linser på chips på på samme måde ville være enormt nyttig. Det ville gøre det muligt at fremstille linser i de samme fabrikker som andre mikroelektroniske komponenter, selv på samme tid.

Hun og co viser, hvordan denne proces nu er mulig. Nøgleideen er, at små træk, mindre end lysets bølgelængde, kan manipulere det. For eksempel kan hvidt lys brydes op i dets komponentfarver ved at reflektere det fra en overflade, hvori der er skåret et sæt parallelle skyttegrave, der har samme skala som lysets bølgelængde.

Metalenses kan producere billeder af høj kvalitet

Fysikere har leget med såkaldte diffraktionsgitre i århundreder. Men fotolitografi gør det muligt at tage ideen meget længere ved at skabe en bredere vifte af funktioner og variere deres form og orientering.

Siden 1960'erne har fotolitografi produceret stadig mindre funktioner på siliciumchips. I 1970 kunne denne teknik skære figurer i silicium med en skala på omkring 10 mikrometer. I 1985 var funktionsstørrelsen faldet til en mikrometer og i 1998 til 250 nanometer. I dag fremstiller chipindustrien funktioner omkring 10 nanometer i størrelse.

Synligt lys har en bølgelængde på 400 til 700 nanometer, så chipindustrien har været i stand til at lave funktioner af denne størrelse i nogen tid. Men først for nylig er forskere begyndt at undersøge, hvordan disse funktioner kan arrangeres på flade plader af siliciumdioxid for at skabe metalenses, der bøjer lyset.

Processen begynder med en siliciumdioxidwafer, hvorpå der er afsat et tyndt lag silicium dækket af et fotoresistmønster. Siliciumet nedenfor skæres derefter væk ved hjælp af ultraviolet lys. Vask den resterende fotoresist væk, efterlader det ueksponerede silicium i den ønskede form.

Hun og co bruger denne proces til at skabe en periodisk række af siliciumsøjler på glas, der spreder synligt lys, når det passerer igennem. Og ved omhyggeligt at kontrollere afstanden mellem søjlerne, kan teamet bringe lyset i fokus.

Specifikke søjleafstande bestemmer de præcise optiske egenskaber af denne linse. For eksempel kan forskerne kontrollere kromatisk aberration for at bestemme, hvor lys af forskellige farver kommer til et fokus.

I billedlinser skal kromatisk aberration minimeres - ellers producerer den de farvede kanter omkring objekter, der ses gennem billige legetøjsteleskoper. Men i spektrografer skal forskellige farver bringes i fokus forskellige steder. Hun og co kan begge dele.

Disse linser lider heller ikke af sfærisk aberration, et almindeligt problem med almindelige linser forårsaget af deres tredimensionelle sfæriske form. Metalenses har ikke dette problem, fordi de er flade. Faktisk ligner de de teoretiske ideelle linser, som bachelor-fysikere studerer i optikkurser.

Selvfølgelig har fysikere været i stand til at lave flade linser, såsom Fresnel-linser, i årtier. Men de har altid været svære at lave.

Det vigtigste fremskridt her er, at metalenses, fordi de kan fremstilles på samme måde som mikrochips, kan masseproduceres med subbølgelængde overfladefunktioner. Hun og co laver dusinvis af dem på en enkelt silica wafer. Hver af disse linser er mindre end en mikrometer tykke, med en diameter på 20 millimeter og en brændvidde på 50 millimeter.

Vi forestiller os en fremstillingsovergang fra at bruge bearbejdet eller støbt optik til litografisk mønstret optik, hvor de kan masseproduceres med samme skala og præcision som IC-chips, siger hun og co.

Og de kan gøre dette med chipfremstillingsteknologi, der er mere end ti år gammel. Det vil give gamle fantastiske planter nyt liv. State-of-the-art udstyr er nyttigt, men ikke nødvendigvis påkrævet, siger hun og co.

Metalenses har en bred vifte af anvendelser. Det mest oplagte er billeddannelse. Flade linser vil gøre billedbehandlingssystemer tyndere og enklere. Men altafgørende, da metalenses kan fremstilles i samme proces som de elektroniske komponenter til sansning af lys, vil de være billigere.

Så kameraer til smartphones, bærbare computere og billedbehandlingssystemer med augmented reality bliver pludselig mindre og billigere at lave. De kunne endda printes på enden af ​​optiske fibre for at fungere som endoskoper.

Astronomer kunne også have det sjovt. Disse linser er betydeligt lettere og tyndere end de giganter, de har sendt i kredsløb i observatorier såsom Hubble-rumteleskopet. En ny generation af rumbaseret astronomi og jordobservation lokker.

Men det er inden for chips selv, at denne teknologi kan have den største indflydelse. Teknikken gør det muligt at bygge komplekse optiske bench-type systemer til chips til optisk behandling.

Og der er yderligere fremskridt i pipelinen. En mulighed er at ændre metalensens egenskaber i realtid ved hjælp af elektriske felter. Det øger udsigten til linser, der ændrer brændvidde med spænding - eller, mere væsentligt, som skifter lys.

Ref: arxiv.org/abs/1711.07158 : Large Area Metalenses: Design, Karakterisering og Masseproduktion

skjule