Met metamaterialen zijn heel platte lenzen te maken, maar tot nu toe hadden die last van chromatische aberraties: licht van verschillende golflengte wordt niet op dezelfde plek gefocusseerd. Daar hebben onderzoekers in de VS nu iets op gevonden. Hun lens focusseert netjes licht van het hele zichtbare spectrum, dankzij een ingewikkelde structuur op nanoschaal.
Een lens is traditioneel een ding van glas dat beelden vergroot doordat het lichtstralen bundelt op het brandpunt in een vlak. Nu zijn deze lenzen niet perfect; ze hebben last van verschillende soorten afwijkingen, zogeheten aberraties. Eén daarvan is de chromatische aberratie, het feit dat elke kleur licht zijn eigen brandpuntsafstand heeft. Bij gewone lenzen wordt dit probleem opgelost door meerdere lenzen achter elkaar te plaatsen die de afwijking opheffen. Dit gaat echter ten koste van de lichtintensiteit.
Herhalende structuren
De laatste jaren wordt er veel onderzoek gedaan naar zogeheten metalenzen, lenzen van metamaterialen (lees: ‘Mysterie metamateriaal’). Een metamateriaal is samengesteld uit structuurtjes op nanoschaal, die zich herhalen. Waar een conventionele lens licht focusseert door zijn bolle vorm, doet een metalens dat dankzij die repeterende structuren. Een metalens heeft daardoor een paar belangrijke voordelen. Hij is ten eerste plat, anders dan de bolle conventionele lens, maar kan tegelijkertijd ook nog eens beelden dichterbij afbeelden dan gewone lenzen dat kunnen; ze hebben geen last van de zogeheten diffractielimiet. Metalenzen leveren zo dezelfde prestatie als glazen lenzen, maar dan in een veel kleiner volume. Daarmee lijken ze bij uitstek geschikt om te gebruiken in microscopen of consumentenelektronica, zoals telefoons of virtual realitybrillen.
De eerste metalenzen hadden tot nu toe echter ook last van chromatische aberratie, waardoor licht van verschillende kleuren (golflengtes) niet hetzelfde brandpunt heeft. Ingenieurs van onder meer Harvard University hebben er nu iets op gevonden, zo schrijven ze in Nature Nanotechnology.
Vinnen
Ze bouwden een oppervlak vol met koppels blokjes op nanoschaal, die ‘nanovinnen’ worden genoemd. Zo maakten ze een metalensje van 220 µm groot. Die vinnen zijn zo ontworpen dat al het licht (van verschillende golflengtes) dat door het bijzondere oppervlak gaat, wel hetzelfde brandpunt heeft. Daarmee bouwen de onderzoekers voort op eerder werk; vorig jaar liet ze al zien hoe je met nanostructuren een platte lens kunt maken (lees: ‘Platste microscooplens dankzij metamateriaal’).
Etsen
Ook bij dit nieuwe onderzoek maken ze de vinnenstructuur door eerst met een elektronenbundel de vorm van het patroon weg te etsen uit een elektronengevoelige laag; daar deponeren ze vervolgens titaniumdioxide in met behulp van atomic layer deposition. Door het masker te verwijderen blijft de gewenste structuur van titaniumdioxide over, zie de foto rechts.
Hierbij valt op dat de vinnen verschillende breedtes hebben, en dat de vinnenkoppels onder alle mogelijke hoeken staan. Alles bij elkaar zorgt dit ervoor dat de snelheid van lichtpulsen voor alle verschillende golflengtes (binnen het zichtbare licht) gelijk is zodat ze in hetzelfde brandpunt worden afgebeeld. Daarmee is voor het eerst een metalens gecreëerd zonder chromatische aberratie. ‘Onze aanpak zorgt voor een veel dunnere lens en een eenvoudiger ontwerp dan standaard achromatische lenzen’, zegt eerste auteur Wei Ting Chen in een persbericht.
Lichtere VR-brillen
Met hun platte achromatische lens slaagden de onderzoekers van Harvard University erin om nette beelden te maken met zichtbaar licht. Dit brengt ze een stapje dichter bij het daadwerkelijk gebruiken van zulke lenzen in optische apparaten, zoals camera’s. Het volgende doel is om een veel grotere metalens te maken, in de orde van 1 cm. Hiermee zouden nieuwe toepassingen binnen bereik moeten komen, zoals lichtere brillen voor virtual en augmented reality. Die zijn vaak nog behoorlijk zwaar, doordat er lenzenpakketten van glas in zitten.
Openingsbeeld Jared Sisler / Harvard SEAS. Overig beeldmateriaal Wei Ting Chen et al., Nature Nanotechnology, 2018.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.